LNG領(lǐng)域中ORV支撐結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)

周小歆

中海油石化工程有限公司 濟(jì)南 250010

在LNG領(lǐng)域中，ORV(開(kāi)架式氣化器)利用海水溫度使液態(tài)LNG氣化，因其運(yùn)行成本低、環(huán)保、安全等優(yōu)點(diǎn)，是一種常用的氣化器類型，也是LNG制造中的重要設(shè)備之一。ORV需要支撐在混凝土基礎(chǔ)上，因此，需要結(jié)構(gòu)專業(yè)針對(duì)ORV的特點(diǎn)進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

ORV設(shè)備一般由特定廠商設(shè)計(jì)，其內(nèi)部管線復(fù)雜，預(yù)埋件預(yù)留孔多，平臺(tái)樓梯的設(shè)計(jì)較復(fù)雜；另外，對(duì)ORV支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算、設(shè)計(jì)分析、繪制設(shè)計(jì)圖等參考依據(jù)也少。本文以某LNG項(xiàng)目中的ORV支撐結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行分析探討，希望對(duì)設(shè)計(jì)人員有一定參考意義。

1 ORV支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)輸入條件

結(jié)構(gòu)專業(yè)進(jìn)行ORV支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)一般是廠商條件和管道專業(yè)條件。本文以某廠商的條件圖為例進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，條件圖見(jiàn)圖1～圖6、荷載見(jiàn)表1。

圖1 條件圖(平面圖)

圖2 條件圖(立面圖)

圖3 條件圖(側(cè)視圖)

圖4 條件圖(A-A)

圖5 條件圖(B-B)

圖6 條件圖(C-C)

表1 單根預(yù)埋螺栓位置點(diǎn)受力表

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 從條件圖里提取結(jié)構(gòu)分析計(jì)算所需的基本構(gòu)件

結(jié)構(gòu)分析常見(jiàn)的構(gòu)件有板、梁、柱和墻，不同類型構(gòu)件受力特點(diǎn)不同，從而簡(jiǎn)化的計(jì)算模型也不同。從廠家條件圖里可提取的構(gòu)件信息見(jiàn)表2。

表2 構(gòu)件信息匯總表

2.2 確定總體結(jié)構(gòu)類型

(1)方案一：框架剪力墻結(jié)構(gòu)

根據(jù)表1提取的構(gòu)件信息，直觀上很容易將此結(jié)構(gòu)判斷為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，總高度8.486m，按照梁的布置確定分層情況，整體計(jì)算中可忽略樓梯影響。

根據(jù)上述假定，建立模型進(jìn)行試算，計(jì)算模型見(jiàn)圖7，經(jīng)試算后計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖7 方案一計(jì)算模型

圖8 超筋超限信息

由圖8可以看出，超限的均為剪力墻，因?yàn)榘?00mm厚的墻作為抗震剪力墻，由于平面內(nèi)剛度比柱的剛度大很多，承擔(dān)很大部分的地震剪力，在水平地震剪力作用下單片剪力墻底部承擔(dān)的水平剪力>結(jié)構(gòu)底部總剪力的30%,框架部分和剪力墻部分受力不合理[1]。

此外，此結(jié)構(gòu)的兩面墻體并非全高設(shè)置，抗震性能非常不好。如果繼續(xù)采用框架抗震墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，必須對(duì)框架部分和墻體部分的尺寸進(jìn)行修改，與廠商推薦尺寸差別較大，對(duì)內(nèi)部管線和構(gòu)件布置影響較大。

鑒于總高度比較矮，抗震墻分布并非普通結(jié)構(gòu)中的全高分布，框架部分縱向無(wú)約束，抗震墻作為整個(gè)結(jié)構(gòu)的縱向聯(lián)系構(gòu)件，只需考慮在縱向分擔(dān)的地震力即可。從構(gòu)造上可以將框架部分增大配筋系數(shù)，抗震墻的配筋適當(dāng)減少，保證地震工況下框架部分有足夠的剛度抵抗水平剪力。

(2)方案二：框架結(jié)構(gòu)

根據(jù)方案一存在的問(wèn)題，對(duì)墻體進(jìn)行分析：首先墻體厚度較小，地震工況下受力大，不滿足截面要求；其次，墻體分布不均勻，其中兩側(cè)墻體不是全高設(shè)置，且有一面墻體非常矮，高度小于1.2m，另一面墻體開(kāi)洞較多，均為抗震不利條件；第三，墻體從受力角度來(lái)講，僅起到維護(hù)功能，不承擔(dān)管線荷載和操作荷載。綜上因素，有充分理由可忽略四面墻體的作用，僅考慮柱和梁的剛度，將此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為框架結(jié)構(gòu)。

根據(jù)上述分析結(jié)論，建立方案二的模型并計(jì)算分析，計(jì)算模型見(jiàn)圖9、計(jì)算指標(biāo)匯總見(jiàn)圖10。

圖9 方案二計(jì)算模型

圖10 方案二計(jì)算指標(biāo)匯總

從圖10中看出，計(jì)算指標(biāo)均符合規(guī)范要求，因此，對(duì)ORV支撐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析是合理的。

同時(shí)要注意，簡(jiǎn)化為框架結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，每榀框架的橫向均為梁柱剛接框架，但是縱向沒(méi)有形成梁柱框架，受力更接近于平面二維結(jié)構(gòu)，鑒于本項(xiàng)目計(jì)算后X、Y向位移指標(biāo)都符合規(guī)范要求，可不再考慮裝置內(nèi)部構(gòu)件剛度的影響。實(shí)際上，在結(jié)構(gòu)頂部，有吊掛LNG管道的鋼梁，這樣整個(gè)結(jié)構(gòu)實(shí)際是雙向梁柱抗側(cè)力的，此鋼梁的作用會(huì)使整個(gè)結(jié)構(gòu)實(shí)際縱向位移小于計(jì)算值，對(duì)工程設(shè)計(jì)是有利的。

方案二的假定前提是混凝土墻不參與整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力分析，設(shè)計(jì)中需要采取措施，減弱混凝土墻剛度對(duì)框架剛度的影響，節(jié)點(diǎn)做法見(jiàn)圖11，同時(shí)對(duì)框架結(jié)構(gòu)的剛度進(jìn)行折減，折減系數(shù)可取0.8。

圖11 柱墻節(jié)點(diǎn)

方案一和方案二各有優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)中可根據(jù)具體情況選擇其一計(jì)算，也可以兩者包絡(luò)設(shè)計(jì)，保證安全可靠。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 支撐結(jié)構(gòu)等級(jí)界定

ORV氣化器是LNG接收站的重要設(shè)備之一，其支撐結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為一級(jí)，重要性系數(shù)為1.1，抗震等級(jí)要提高一級(jí)。

3.2 框架柱的設(shè)計(jì)

ORV支撐結(jié)構(gòu)的框架柱尺寸較大，縱筋間距大，要保證箍筋肢距滿足規(guī)范要求：抗震一級(jí)不宜大于200mm，二、三級(jí)不宜大于250mm?？紤]到此結(jié)構(gòu)層分布不規(guī)則，管道荷載較大，框架縱向剛度弱，柱的箍筋應(yīng)全高加密，箍筋構(gòu)造要滿足規(guī)范GB50011[2]中表6.3.7-2要求。

3.3 支撐海水管結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)

整個(gè)ORV支撐結(jié)構(gòu)根據(jù)梁的布置可分成多層考慮，最重要的結(jié)構(gòu)層是支撐較大管道荷載的結(jié)構(gòu)層，支撐海水管荷載的位置位于裝置外部[3]，需要做懸挑梁作為支撐，懸挑梁本身就屬于靜定結(jié)構(gòu)，沒(méi)有多余的贅余度，對(duì)此部分的設(shè)計(jì)必須引起重視。本工程針對(duì)管道支撐條件，對(duì)管道支撐處設(shè)置為懸挑梁上起柱形式，對(duì)懸挑梁加大尺寸，箍筋加密加箍，箍筋間距≤100mm，詳細(xì)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖12。

圖12 支撐管道層結(jié)構(gòu)圖

3.4 頂部結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)

頂部框架梁頂通過(guò)螺栓固定H型鋼梁，此鋼梁用于固定懸吊裝置(懸掛LNG管線)，橫梁承受的荷載包括設(shè)備荷載和流體荷載，每個(gè)螺栓受力點(diǎn)承受的設(shè)計(jì)荷載約15t，中間橫梁螺栓受力點(diǎn)最多，共有8個(gè)。因此頂部框架梁尺寸一般較大，考慮到框架梁的受荷情況，箍筋應(yīng)全長(zhǎng)加密。螺栓定位要準(zhǔn)確，施工前設(shè)計(jì)圖應(yīng)與廠商安裝圖核對(duì)無(wú)誤后再預(yù)埋施工。

3.5 樓梯設(shè)計(jì)

樓梯部分要根據(jù)廠商要求的使用功能進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。樓梯位于裝置外側(cè)，大部分需要懸挑梁或懸挑板滿足剛度要求，且這部分要考慮舒適方便的要求。

(1)建筑要求

根據(jù)規(guī)范GB50016中6.4.5條要求，室外疏散樓梯傾斜角度不應(yīng)大于45°，欄桿扶手的高度不應(yīng)小于1.1m，樓梯凈寬不應(yīng)小于0.9m。根據(jù)規(guī)范GB50352[4]中6.8條要求，樓梯凈寬應(yīng)為兩側(cè)扶手中心線的距離或扶手中心線與一側(cè)建筑外表面的距離。樓梯平臺(tái)凈高不應(yīng)小于2.0m，梯段處凈高不應(yīng)小于2.2m。踏步寬度按250mm設(shè)計(jì)，大小可做稍微調(diào)整。

(2)結(jié)構(gòu)要求

梯梁宜兩端支撐，當(dāng)不滿足兩端支撐時(shí)，梯梁優(yōu)先從框架柱上懸挑；當(dāng)為滿足樓梯踏步尺寸和傾斜角度而不能直接從框架柱上懸挑時(shí)，應(yīng)在梯梁支點(diǎn)處設(shè)暗柱(梯柱)，不得直接從混凝土墻處或框架梁處懸挑，防止墻、梁平面外被破壞。樓梯平臺(tái)可懸挑或多邊支撐，滿足凈空要求。

樓梯宜采用板式樓梯，樓梯形式可參考圖集16G101-2和15G307。

3.6 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

LNG被ORV氣化器中的高溫海水氣化，被吸走熱量的海水要從地面排到海水渠[5]，整個(gè)裝置內(nèi)室內(nèi)地面標(biāo)高到設(shè)計(jì)水位線常年受海水沖刷。在此種環(huán)境下，一般構(gòu)造的地面達(dá)不到設(shè)計(jì)使用年限，需要結(jié)構(gòu)直接在地面就開(kāi)始做基礎(chǔ)。通常做法是整個(gè)裝置下做筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)頂標(biāo)高即地面標(biāo)高，并用細(xì)石混凝土或水泥砂漿找坡，坡度一般0.3%，方便海水流出。根據(jù)地勘報(bào)告土質(zhì)情況確定筏板是做天然地基還是樁基處理。關(guān)于基礎(chǔ)的計(jì)算與其他結(jié)構(gòu)相同，本文不再贅述。

3.7 預(yù)埋件預(yù)留洞

ORV氣化器支撐結(jié)構(gòu)的預(yù)埋件預(yù)留洞較多，結(jié)構(gòu)專業(yè)應(yīng)根據(jù)條件進(jìn)行預(yù)留預(yù)埋，預(yù)埋件要注明標(biāo)高(注意二次灌漿層厚度)和定位，預(yù)埋件中心與基礎(chǔ)應(yīng)滿足4d(螺栓直徑)和150mm的較大值，不滿足時(shí)應(yīng)跟廠商溝通更改尺寸，避免與其他管道或構(gòu)件碰撞。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)LNG項(xiàng)目中的ORV支撐結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)進(jìn)行論述，確定了結(jié)構(gòu)類型和計(jì)算模型，并介紹了該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的框架柱、結(jié)構(gòu)層、樓梯、預(yù)埋件預(yù)留洞的規(guī)范要求和注意事項(xiàng)，同時(shí)附上其實(shí)際項(xiàng)目的做法供參考，補(bǔ)充完善了該特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和規(guī)定。該項(xiàng)目施工后運(yùn)行良好，其對(duì)ORV支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究方法和規(guī)定為后續(xù)設(shè)計(jì)人員提供了參考。