反應(yīng)器與樓梯間聯(lián)合基礎(chǔ)的計(jì)算探討

倪光 王樂遠(yuǎn)

摘 ? ? ?要：在石油化工裝置中，反應(yīng)器樓梯間為很常見的一種構(gòu)筑物，反應(yīng)器與樓梯間的基礎(chǔ)常常發(fā)生碰撞，為了對其計(jì)算方法進(jìn)行研究，探索簡便、有效的計(jì)算方法，從以下幾個方面進(jìn)行了討論：在設(shè)計(jì)思路上，首先應(yīng)該判斷反應(yīng)器基礎(chǔ)與樓梯間基礎(chǔ)是否碰撞，其次則是進(jìn)行荷載的簡化;對于荷載的分配，需要同時考慮垂直力、彎矩和水平剪力，并根據(jù)規(guī)范對各項(xiàng)內(nèi)力的分配進(jìn)行加成;對于計(jì)算軟件的選用，推薦PKPM與SACD結(jié)合使用;對于相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)定及構(gòu)造要求，文中提出了一些比較重要的且易被忽略的要求;最后，在工程案例中，結(jié)合計(jì)算軟件對實(shí)際的操作方法進(jìn)行了演示，并對設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān) ?鍵 ?詞：石油化工;反應(yīng)器;樓梯間;荷載分配;聯(lián)合基礎(chǔ)

中圖分類號：TU 323.5 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）05-0910-04

Abstract： In petrochemical units， reactor staircases are very common special structures. Collision often happens between reactor foundation and staircase foundation. In order to study the calculation and analysis method， and explore the simple and effective calculation method， several problems were discussed as follow： For the design ideas， whether the collision of reactor foundation and staircase foundation happen or not should be judged first， and then simplification of loads should be considered. For distribution of loads， vertical forces， bending moments and horizontal shear forces need to be considered together， and then all internal forces should be distributed and added together in accordance with the code. For the selection of calculating software， PKPM and SCAD were recommended. For the relevant design regulations and construction requirements， several important requirements that are easily ignored were proposed in the article. At last， in the engineering case， with the help of calculation software， practical operation process was demonstrated; matters needing attention in the design were summarized.

Key words： Petrochemical industry; Reactor; Staircase; Load distribution; Combined foundation

在石油化工裝置中，反應(yīng)器樓梯間為很常見的一種構(gòu)筑物，反應(yīng)器布置在樓梯間范圍內(nèi)，由于反應(yīng)器與樓梯間的質(zhì)量及剛度有差異，因而自振周期也同樣有差異，設(shè)計(jì)中盡量獨(dú)立考慮，但有時限于裝置的場地較小，樓梯間的軸網(wǎng)間距較小，容易發(fā)生反應(yīng)器基礎(chǔ)與樓梯間基礎(chǔ)的碰撞問題。若反應(yīng)器基礎(chǔ)與樓梯間的基礎(chǔ)并沒有碰撞，則可各自計(jì)算并布置基礎(chǔ);若二者的基礎(chǔ)發(fā)生碰撞，則需要對二者的基礎(chǔ)進(jìn)行聯(lián)合布置，此時在聯(lián)合基礎(chǔ)的分析計(jì)算中，需要綜合考慮反應(yīng)器及樓梯間傳至基礎(chǔ)的荷載，并對該聯(lián)合基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算分析。為了探索盡量符合實(shí)際情況的計(jì)算方法，且兼顧計(jì)算的簡便易行與工程要求的精度，本文從設(shè)計(jì)思路、荷載的分配、計(jì)算軟件的選用、相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)定及構(gòu)造要求以及結(jié)合工程案例對該類結(jié)構(gòu)的計(jì)算進(jìn)行探討，分析建模計(jì)算及細(xì)部構(gòu)造中的注意事項(xiàng)，并結(jié)合石化系統(tǒng)內(nèi)常用的計(jì)算軟件給出一種可行的計(jì)算方法。

1 ?設(shè)計(jì)思路

在設(shè)計(jì)反應(yīng)器樓梯間的基礎(chǔ)時，首先應(yīng)各自計(jì)算反應(yīng)器的基礎(chǔ)與樓梯間的基礎(chǔ)，判斷二者是否碰撞。若并不發(fā)生碰撞，則情況比較簡單，可以分別單獨(dú)布置各自的基礎(chǔ);若二者的基礎(chǔ)發(fā)生碰撞，則需要協(xié)同考慮二者的共同影響。樓梯間框架柱荷載傳至聯(lián)合筏板基礎(chǔ)上時，可簡化為點(diǎn)荷載，但反應(yīng)器基礎(chǔ)一般為圓柱式基礎(chǔ)，而且通常尺寸很大，若簡化為點(diǎn)荷載傳至聯(lián)合基礎(chǔ)上，則造成反應(yīng)器中心處集中荷載很大，并不符合實(shí)際的情況且容易造成基礎(chǔ)的局部荷載很大，對采用通長配筋的筏板基礎(chǔ)來說，筏板的配筋將偏大。鑒于反應(yīng)器與圓柱通過螺栓連接，根據(jù)《石油化工塔型設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》SH/T 3030-2009中荷載分配的有關(guān)規(guī)定，筆者建議可以做如下簡化：將反應(yīng)器底部的荷載分配到每個螺栓處[1]，即可較為均勻的傳至基礎(chǔ)，這樣也比較符合實(shí)際的受力情況。

2 ?荷載的分配

反應(yīng)器通過地腳螺栓與基礎(chǔ)相連，荷載也通過各個螺栓進(jìn)行分配，因?yàn)榉磻?yīng)器傳至基礎(chǔ)頂面處有垂直力、彎矩和水平剪力，所以在對各螺栓點(diǎn)進(jìn)行荷載分配時，不能只考慮垂直力的分配，還需要考慮到水平剪力的分配以及彎矩對各點(diǎn)的加成作用，彎矩對一側(cè)的螺栓處是增加垂直力，對另一側(cè)則是削弱垂直力?？筛鶕?jù)《石油化工塔型設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定來進(jìn)行荷載的分配，其中垂直力與水平剪力可按8.4.1條的規(guī)定平均分配至各螺栓點(diǎn)處，彎矩可按附錄C的表C.1進(jìn)行計(jì)算[2]。

3 ?計(jì)算軟件的選用

對于樓梯間的計(jì)算，國內(nèi)項(xiàng)目建議采用PKPM設(shè)計(jì)軟件，對于滿足國內(nèi)的規(guī)范、出施工圖的便利與快捷等方面，相比于其他的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件均具有很大的優(yōu)勢。

為了得到反應(yīng)器的底部內(nèi)力，可以采用石油化工特種構(gòu)筑物軟件SCAD來完成，在SCAD下有CTCAD模塊，可以用來進(jìn)行反應(yīng)器的計(jì)算，可以得到圓柱支墩的計(jì)算結(jié)果，并可在計(jì)算結(jié)果中取出“塔底內(nèi)力”進(jìn)行分配至各螺栓點(diǎn)處，然后便可以將所分配荷載布置在PKPM中所建的模型上進(jìn)行計(jì)算。

具體操作時，可在各螺栓點(diǎn)處布置柱，在柱之間設(shè)置支撐，用來模擬支墩的整體性，在柱頂布置所分配的荷載，在基礎(chǔ)計(jì)算模塊中對樓梯間與反應(yīng)器的各柱布置聯(lián)合基礎(chǔ)，該荷載便可傳至基礎(chǔ)，從而進(jìn)行聯(lián)合基礎(chǔ)的計(jì)算。有必要指出的是，該做法并不能完全符合圓柱支墩的實(shí)際情況，但考慮到計(jì)算軟件計(jì)算功能的局限，且該做法可以模擬荷載的傳遞情況，可認(rèn)為所計(jì)算得到的筏板基礎(chǔ)計(jì)算結(jié)果滿足工程的精度要求。

4 ?相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)定及構(gòu)造要求

（1）在操作狀態(tài)下，基礎(chǔ)底面零應(yīng)力區(qū)面積不應(yīng)大于基礎(chǔ)底面積的25%;在地震狀態(tài)下，基礎(chǔ)底面零應(yīng)力區(qū)面積不應(yīng)大于基礎(chǔ)底面積的15%[3]。

（2）基礎(chǔ)的埋深應(yīng)綜合考慮地基情況、凍深、相鄰基礎(chǔ)以及地下管道等因素，且不宜小于1.5 m[3];當(dāng)基礎(chǔ)鄰近存在腐蝕性的儲槽時，基礎(chǔ)底面低于儲槽底面的高度最小為500 mm，采用樁基礎(chǔ)時，最小埋深不宜小于2.5 m[4]。

（3）基礎(chǔ)底板厚度不宜小于800 mm[2]，應(yīng)采用雙層雙向配筋，受力鋼筋的最小配筋率為0.15%;當(dāng)板厚大于2 m時，宜在板厚中部設(shè)置雙向鋼筋網(wǎng)，直徑不小于12 mm，間距不大于300 mm[3]。

（4）當(dāng)基礎(chǔ)處于腐蝕環(huán)境中時，基礎(chǔ)、墊層的防護(hù)要求上應(yīng)遵守《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50046-2018的相關(guān)規(guī)定。

5 ?工程案例

以下根據(jù)筆者負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的某項(xiàng)目中反應(yīng)器樓梯間來討論該類聯(lián)合基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。該反應(yīng)器樓梯間為雙跨結(jié)構(gòu)，軸網(wǎng)尺寸為6 m×12 m，反應(yīng)器R-101外徑為2 700 mm，地腳螺栓20M48，R-102外徑為3 000 mm，地腳螺栓20M56，平面圖見圖1。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》8.1.5的規(guī)定，采用框架結(jié)構(gòu)時，甲、乙類建筑和高層的丙類建筑不應(yīng)采用單跨框架，多層的丙類建筑不宜采用單跨框架[5]，故在A、B軸的兩柱之間設(shè)置支撐以避免出現(xiàn)單跨框架，支撐見圖1中粗虛線顯示。平臺上鋪設(shè)鋼格柵板 ，根據(jù)《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，每層均設(shè)置水平支撐[6]，根據(jù)上述專業(yè)所提供的條件以及地基條件，首先用PKPM建模，計(jì)算樓梯間的基礎(chǔ)，得到樓梯間基礎(chǔ)的輪廓如圖2：

根據(jù)上述專業(yè)所提供的反應(yīng)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)條件，用CTCAD進(jìn)行試算，得到反應(yīng)器R-101、R-102的基礎(chǔ)輪廓（虛線表示）如圖3，此時兩個反應(yīng)器基礎(chǔ)已經(jīng)發(fā)生碰撞。

綜合考慮圖2及圖3，將樓梯間基礎(chǔ)及反應(yīng)器基礎(chǔ)布置在同一個圖中，如圖4：

可以看出，不僅兩個反應(yīng)器基礎(chǔ)已經(jīng)發(fā)生碰撞，樓梯間基礎(chǔ)與反應(yīng)器基礎(chǔ)均發(fā)生碰撞，故必須考慮將兩個反應(yīng)器及樓梯間聯(lián)合設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

從R-101的計(jì)算結(jié)果中得到反應(yīng)器基頂受力情況如下：垂直力N = 2 354 kN，M = 2 196 kN·m，V =199 kN。根據(jù)SH/T 3030-2009中8.4.1條及附錄C的表C-1可得如下結(jié)果，見圖5：

從R-102的計(jì)算結(jié)果中得到反應(yīng)器基頂受力情況如下：垂直力N =7 182 kN，M =5 031 kN·m，V=238 kN。根據(jù)SH/T 3030-2009中8.4.1條及附錄C的表C-1可得如下結(jié)果，見圖6：

將上述計(jì)算所得荷載輸入PKPM樓梯間的模型中，在反應(yīng)器基礎(chǔ)各螺栓點(diǎn)處布置柱，柱間設(shè)支撐，將荷載布置在柱頂節(jié)點(diǎn)，樓梯間首層模型見圖8：

然后進(jìn)入SATWE進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)的計(jì)算，滿足各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)后，轉(zhuǎn)入JCCAD計(jì)算，在框架柱與兩個反應(yīng)器所圍區(qū)域布置聯(lián)合筏板基礎(chǔ)，設(shè)置好相關(guān)的地基參數(shù)后即可計(jì)算，本例取筏板厚度0.8 m，混凝土強(qiáng)度等級C30，鋼筋采用HRB400鋼筋，得到筏板基礎(chǔ)的計(jì)算內(nèi)力及配筋結(jié)果，見圖9：

需要注意的是，上述荷載分配及后續(xù)計(jì)算中，假定水平力為自下向上，然而在實(shí)際情況中，由風(fēng)、地震作用引起的水平力方向可能是自上向下，也可能是自左向右或自右向左，故這幾種情況均應(yīng)分別考慮，以得到最不利的計(jì)算結(jié)果，即在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)采用包絡(luò)設(shè)計(jì)的方法，保證結(jié)構(gòu)計(jì)算的結(jié)果安全可靠。

若是將反應(yīng)器的底部內(nèi)力按點(diǎn)荷載布置在筏板基礎(chǔ)上，則與實(shí)際荷載分布相差較大，造成筏板的計(jì)算內(nèi)力及配筋結(jié)果會變大，與實(shí)際情況相比，造成巨大的浪費(fèi)，按集中荷載布置的計(jì)算結(jié)果，見圖10-1，可見，筏板底部的配筋遠(yuǎn)大于正常計(jì)算結(jié)果。

通過上述荷載分配的計(jì)算過程可知，彎矩對某一側(cè)的基礎(chǔ)是削弱垂直荷載的影響，對另一側(cè)是增加垂直荷載的影響，若是并沒有考慮彎矩的不利影響，只考慮垂直力在各螺栓點(diǎn)處的平均分配，與實(shí)際的受力情況則不符，得到的結(jié)果也偏于不安全，本例也給出按平均分配所得的計(jì)算結(jié)果見圖10-2。

綜上可見，后兩種情況與實(shí)際情況差別非常大，為不可取的方式，同時在設(shè)計(jì)中亦應(yīng)注意各種最不利的情況，并采用對稱配筋設(shè)計(jì)該類基礎(chǔ)。

6 ?結(jié)束語

對于反應(yīng)器與樓梯間聯(lián)合基礎(chǔ)的計(jì)算，首先應(yīng)該研究相關(guān)的規(guī)范，對荷載的分配與傳遞要有一個明確的認(rèn)識，同時要立足于力學(xué)模型的分析，盡量使計(jì)算模型接近實(shí)際的情況，保證荷載分配的合理性，綜合各種工況確定最不利的情況，同時熟練掌握各類軟件的功能，這樣才能靈活運(yùn)用各種軟件，力求保證結(jié)構(gòu)的安全性、技術(shù)上的合理性以及結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。本文根據(jù)現(xiàn)有軟件的功能設(shè)置，探索反應(yīng)器與樓梯間聯(lián)合基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法，力求簡便易行、安全可靠。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要把每一個結(jié)構(gòu)當(dāng)成一件作品，精心設(shè)計(jì)，這也是一名工程技術(shù)人員應(yīng)有的態(tài)度和追求。

參考文獻(xiàn)：

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