型鋼混凝土—鋼結(jié)構(gòu)在石化工程中的應(yīng)用

崔硯軍

（中海油石化工程有限公司，山東濟(jì)南 250101）

0 引言

實(shí)踐和理論研究證明，型鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)延性好、穩(wěn)定性高、承載力強(qiáng)，特別是在重復(fù)荷載作用和高頻低周期下具有很好的性能。采用實(shí)腹型鋼的型鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性性能、強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性能，比空腹型鋼的型鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件更好。型鋼混凝土框架—鋼支撐結(jié)構(gòu)在工程實(shí)踐中已有應(yīng)用，在技術(shù)上是成熟、安全、可靠的，在其他項(xiàng)目中也有應(yīng)用，但實(shí)施效果并不顯著。該結(jié)構(gòu)形式在氣化、尿素等框架中屬首例，是我們借鑒其化工項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)發(fā)展、改進(jìn)、再創(chuàng)新的結(jié)果，且在高烈度地震區(qū)、軟土地區(qū)有著較大優(yōu)勢。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目為某化工有限公司退城進(jìn)園、技術(shù)改造項(xiàng)目，擬建退城進(jìn)園項(xiàng)目場地東西長約1176m，南北寬約460m，總用地面積6.6666hm2（66666m2）。擬建工程場地交通較便利。具體位置在泊家莊以東約1km 處，屬于華豐鎮(zhèn)永安寨及東北莊土地。場地西側(cè)為規(guī)劃華豐路（已通），場地東側(cè)為規(guī)劃靈山大道，場地南側(cè)為規(guī)劃堡頭大街，場地北側(cè)為規(guī)劃北泉河街，交通較便利。

尿素設(shè)計(jì)界區(qū)范圍為尿素裝置界區(qū)外1m；整個(gè)尿素裝置工程設(shè)計(jì)范圍包括但不限于CO2壓縮及凈化、尿素主框架（含水解解析）、尿素造粒塔（預(yù)留大顆粒）、尿素包裝樓、尿素成品庫、尿素棧橋、尿素裝置配套的公輔工程等；設(shè)計(jì)能確保從原料液氨及二氧化碳進(jìn)入界區(qū)能生產(chǎn)出合格的尿素產(chǎn)品。除尿素裝置、空分裝置以外，全廠界區(qū)以內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)施。包括總圖運(yùn)輸、廠區(qū)內(nèi)的儲(chǔ)運(yùn)、給排水、供熱、供電、管廊及地下管網(wǎng)、化驗(yàn)、火炬、消防設(shè)施、工廠空氣、儀表空氣和氮?dú)庀到y(tǒng)、廠區(qū)電信系統(tǒng)、廠區(qū)道路照明等。

本項(xiàng)目于2015 年10 月開始基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)，2016 年6 月基礎(chǔ)設(shè)計(jì)審查并開展詳細(xì)工程設(shè)計(jì)，同年開工建設(shè)，2017 年9 月完成詳細(xì)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，2019 年年底建成投產(chǎn)。

尿素裝置為整個(gè)工程的核心裝置，裝置規(guī)模：1700t/d 合成氨，包含日產(chǎn)氫氣48 萬m3/d（預(yù)留）；2700t/d 尿素；年操作時(shí)間：7200h/年。

尿素主框架聯(lián)合布置，通過管廊、走道、平臺(tái)連接，尿素主框架低壓區(qū)占地30m×20m，共10 層，高23m，各類泵布置在框架地面，CO2汽提塔布置在10.1m，低壓甲銨冷凝器循環(huán)水冷卻器布置在8.7m，中間冷凝器布置在23m；尿素主框架高壓區(qū)占地22m×20m，共12 層，高79.6m，尿素合成塔布置在25.5m，低壓吸收塔布置在76m，合成塔用吊車布置在88m，框架最高處為高壓洗滌器吊車，約79.6m。

2 自然條件

平均溫度為13.9℃，最高氣溫為41.3℃，最低氣溫為-19℃，年平均降水量為645.9mm，混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別為①一般室內(nèi)環(huán)境：一類；①地下結(jié)構(gòu)二b 類；③室外露天環(huán)境：二b 類；④結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50 年[2]。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50 年，結(jié)構(gòu)使用年限應(yīng)按GB 50068—2001 第1.0.5 條的規(guī)定采用，一般建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 年（規(guī)范另有規(guī)定者除外）、環(huán)境相對(duì)濕度為63%。

土層由上到下分布如下。

1 層粉質(zhì)粘土，大量分布，厚度薄，力學(xué)特性簡單，可用作一般建構(gòu)筑物基礎(chǔ)持力層。

2 層碎石土，大量分布，厚度薄，力學(xué)特性簡單，可用作一般建構(gòu)筑物基礎(chǔ)持力層。

3 層全風(fēng)化泥巖，主要分布在場地東部，厚度較小，不存在地下水，力學(xué)特性簡單，可用作一般建構(gòu)筑物基礎(chǔ)持力層。

4 層強(qiáng)風(fēng)化泥巖，主要分布在場地東部，厚度不均，風(fēng)化不均勻，不存在地下水，力學(xué)特性簡單，可用作一般建構(gòu)筑物基礎(chǔ)持力層。

4-1 層強(qiáng)風(fēng)化角礫巖，分布普遍，厚度不均，該層無地下水，力學(xué)性質(zhì)較好。

5 層中風(fēng)化泥巖，分布普遍，厚度較大，力學(xué)性質(zhì)良好。

5-1 層中風(fēng)化角礫巖，分布普遍，厚度較大，力學(xué)性質(zhì)良好。

特殊性土評(píng)價(jià)如下。

場地地層存在的特殊性性土主要為3 層全風(fēng)化泥巖、4 層強(qiáng)風(fēng)化泥巖、4-1 層強(qiáng)風(fēng)化角礫巖。

3 層全風(fēng)化泥巖，風(fēng)化呈土狀，力學(xué)性質(zhì)一般。

4 層強(qiáng)風(fēng)化角礫巖，風(fēng)化呈碎塊狀，力學(xué)性質(zhì)一般。

4-1 層強(qiáng)風(fēng)化角礫巖，風(fēng)化呈碎塊狀，力學(xué)性質(zhì)較好，見表1。

表1 巖土特性 γ、C、φ

3 結(jié)構(gòu)形式

運(yùn)用型鋼混凝土鋼框架組合結(jié)構(gòu)，在標(biāo)高40m 以下采用部分型鋼混凝土組合框架結(jié)構(gòu)（部分框架柱、框架梁、較重設(shè)備支承梁為型鋼混凝土構(gòu)件，垂直支撐采用鋼構(gòu)件，其余構(gòu)件均為鋼筋混凝土），在框架局部或樓、電梯間設(shè)置鋼柱間支撐，標(biāo)高40m以上為鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)。主框架基礎(chǔ)采用獨(dú)立基礎(chǔ)、局部采用筏板基礎(chǔ)，基底標(biāo)高-5.5m，筏板厚度為2.5m，部分框架柱采用柱下獨(dú)立樁基承臺(tái)。

尿素主框架設(shè)置二個(gè)樓梯間，其中一個(gè)與電梯間相連，均采用鋼結(jié)構(gòu)。整個(gè)框架為開敞結(jié)構(gòu)，僅電梯井采用壓型鋼板維護(hù)。40m 及以下樓板均為鋼筋混凝土，40m 以上樓板除78m 為壓型鋼板底模與鋼筋混凝土組合樓板外均為鍍鋅鋼格板（G405/30/100G），局部為花紋鋼板。尿素主框架每層標(biāo)高分別為8m、16m、20.5m、23.5m、25.5m、33m、40.5m、57.5m、63m、67.5m、71.6m、79.6m（吊車梁底標(biāo)高78.5m），框架縱橫向跨度均為8m（連接跨為8m）。

4 框架上的設(shè)備

框架上大型設(shè)備較多，有120 臺(tái)左右，單體較重，核心設(shè)備為尿素合成塔操作重達(dá)960t，100t 以上設(shè)備近20 臺(tái)，設(shè)備總重約5kt。其中尿素合成塔高度約40m。尿素合成塔下端剛接于標(biāo)高25.5m 的樓面，尿素合成塔下端通過衡力彈簧吊在標(biāo)高40.5m 的樓面梁下，二者上端通過剛性彎管連接。

尿素裝置最為關(guān)鍵的設(shè)備，形跡以斷裂為主。場地處于岨萊山與蒙山之間的丘陵地帶，北側(cè)、東側(cè)為柴汶河盆地，起伏較平緩，西側(cè)、南側(cè)為低山，南側(cè)鳳仙山，海拔608.00m，為寧陽縣最高峰，西側(cè)彩山，主峰海拔360.50m。本區(qū)屬華北地臺(tái)背斜魯西斷區(qū)，區(qū)域內(nèi)主要斷裂有西部的嶧山斷裂、北部的汶口斷裂、東北部的蓮花山斷裂，南部為徂徠山—蒙山背斜。其中，嶧山斷裂北起肥城、南至微山湖，總體走向?yàn)?50°，走向不穩(wěn)定。在NW330～NE25 之間屬張性斷裂，在燕山期及新生代有過活動(dòng)。汶口斷裂呈弧形展布，向北凸起，斷面向凹陷一側(cè)傾斜，傾角在60°～70°之間，斷裂具有強(qiáng)烈的壓扭性。

本項(xiàng)目分析和計(jì)算了各種支點(diǎn)條件（57.5m 無支點(diǎn)、有剛性支點(diǎn)、有彈性支點(diǎn)）下，針對(duì)不同荷載（100%自重、2 個(gè)水平方向的地震荷載作用、2 個(gè)水平方向的風(fēng)荷載作用、總體熱膨脹和局部熱膨脹等）變化情況作用于框架上的荷載。

5 結(jié)構(gòu)簡化計(jì)算模型

型鋼混凝土框架—鋼支撐結(jié)構(gòu)在工程實(shí)踐中已有應(yīng)用，在技術(shù)上是成熟、安全、可靠的，在其他項(xiàng)目中也有應(yīng)用，但實(shí)施效果并不顯著。該結(jié)構(gòu)形式在氣化磨煤框架中屬首例，是我們借鑒岳陽等煤氣化項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)發(fā)展、改進(jìn)、再創(chuàng)新的結(jié)果，在高烈度地震區(qū)、軟土地區(qū)有著較大優(yōu)勢，如圖1~圖4 所示。

圖1 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

圖2 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

圖3 配筋計(jì)算結(jié)果

圖4 設(shè)備布置

6 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

尿素主框架大多采用型鋼鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式，本工程核心設(shè)備尿素合成塔與已有工程相比，荷重是原來的一倍有余，除工藝布置的差異外，主要在于自然條件的差異。

（1）確定合理的結(jié)構(gòu)體系，尤其重視垂直支撐系統(tǒng)、水平支撐系統(tǒng)的布置，使上部荷載更加合理地傳遞；垂直支撐構(gòu)件采用箱型截面，既有效利用截面特性，又滿足防火防腐及構(gòu)造要求[3]。

（2）對(duì)平面?zhèn)髁w系進(jìn)行優(yōu)化，以減輕結(jié)構(gòu)自重為目標(biāo)，樓面梁、設(shè)備支撐梁采用交叉梁系布置，既使框架梁受力均衡，又能減少梁截面尺寸，減少板厚（確定為120m 厚），保證在滿足平面剛度的基礎(chǔ)上盡可能減少結(jié)構(gòu)自重。固化主要樓面梁布置滿足了邊設(shè)計(jì)邊施工的建設(shè)模式，提高了設(shè)計(jì)效率，降低了設(shè)計(jì)人員負(fù)荷[4]。

（3）反復(fù)比較確定局部采用型鋼混凝土的構(gòu)件。如果鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)件全部采用型鋼混凝土，結(jié)構(gòu)體系是最理想的，但會(huì)增加鋼的使用量，使經(jīng)濟(jì)效益大打折扣。好鋼用在刀刃上，既減少了截面尺寸，又保證了結(jié)構(gòu)剛度的平緩變化和整個(gè)框架的美觀。

（4）結(jié)構(gòu)規(guī)則性調(diào)整。將尿素主框架低壓區(qū)和高壓區(qū)分開設(shè)縫布置，以滿足高寬比的限制，同時(shí)滿足新規(guī)范對(duì)單跨框架的限制。結(jié)構(gòu)整體抗震性能得到加強(qiáng)。

（5）設(shè)備支承優(yōu)化。在標(biāo)高25.5m 增設(shè)支點(diǎn)，通過改變地腳螺栓的埋設(shè)方式，預(yù)埋管改為直埋，改進(jìn)定位模板的方式，很好解決了設(shè)備基礎(chǔ)的施工安裝難題。這樣極大減小了設(shè)備支承梁的高度（由2.7m 減至2.0m），滿足了工藝布置對(duì)凈空的要求。

（6）基礎(chǔ)方案優(yōu)化。框架基礎(chǔ)采用獨(dú)立基礎(chǔ)、局部采用筏板基礎(chǔ)，尿素主框架低壓區(qū)和高壓區(qū)筏板和獨(dú)立基礎(chǔ)各自獨(dú)立，解決兩個(gè)框架基礎(chǔ)荷載差異較大、沉降不均衡、荷載作用點(diǎn)與筏板重心偏心大的問題；同時(shí)使尿素主框架低壓區(qū)和高壓區(qū)基礎(chǔ)分開布置，使機(jī)器震動(dòng)不影響框架結(jié)構(gòu)。

（7）筏板優(yōu)化。減薄基礎(chǔ)筏板的厚度采用柱墩滿足抗沖切的要求，既減小了混凝土體積，又達(dá)到較經(jīng)濟(jì)的含鋼量，同時(shí)也能滿足埋入式柱腳埋深的要求。

（8）轉(zhuǎn)換層調(diào)整。轉(zhuǎn)換層上移至型鋼混凝土層以上，避免型鋼梁柱與鋼筋的交叉施工困難，保證結(jié)構(gòu)剛度的平緩過渡，同時(shí)減少了防火涂料的工程量。

（9）樓電梯間的合理布置。依附于主體結(jié)構(gòu)的獨(dú)立樓電梯間的布置不僅滿足工藝布置的要求，也保證了疏散通道的安全，有利于保持結(jié)構(gòu)的整體受力均勻。

（10）注重細(xì)節(jié)的處理。細(xì)節(jié)往往決定全局的成敗，設(shè)備吊裝方案、設(shè)備支座形式、型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)連接方式、構(gòu)件中鋼筋根數(shù)、施工程序等均是我們關(guān)注的重點(diǎn)，該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)施工得以順利開展得益于此。

7 實(shí)施效果及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

該框架實(shí)施效果非常好，最大柱截面僅1.5m，尿素合成塔支撐梁和框架梁的截面高度僅2m，滿足了其下部其他設(shè)備的空間要求，且遠(yuǎn)低于同類工程的截面尺寸，截面面積減少約20%，結(jié)構(gòu)自重由占比55%降至45%，擴(kuò)大了凈層高，空間有效利用率提高，有利于設(shè)備管道布置，擴(kuò)大操作空間，尤其是樁基工程量顯著減少。

型鋼混凝土框架—鋼支撐結(jié)構(gòu)在工程實(shí)踐中已有應(yīng)用，在技術(shù)上是成熟、安全、可靠的，其他項(xiàng)目中也有應(yīng)用，但實(shí)施效果并不顯著。該結(jié)構(gòu)形式在氣化磨煤框架中屬首例，是當(dāng)前借鑒岳陽等煤氣化項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)發(fā)展、改進(jìn)、再創(chuàng)新的結(jié)果，在高烈度地震區(qū)、軟土地區(qū)有著較大優(yōu)勢，如表2 所示。

表2 各類型結(jié)構(gòu)形式構(gòu)件用量比較

8 推廣應(yīng)用前景

今后，尿素裝置還會(huì)不斷涌現(xiàn)，這也是當(dāng)前的優(yōu)勢設(shè)計(jì)出路，型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)相較于高烈度地震區(qū)、軟土地區(qū)的應(yīng)用有著較大優(yōu)勢，結(jié)構(gòu)自重減輕，顯著減輕地震作用，有利于減少軟土地區(qū)基礎(chǔ)沉降量；單柱軸向力較低，可減少基礎(chǔ)筏板厚度；結(jié)構(gòu)斷面尺寸較小，截面面積減少約30%，擴(kuò)大了凈層高，空間有效利用率提高，擴(kuò)大操作空間，有利于設(shè)備管道布置；鋼筋含量、模板量、混凝土澆筑量減少，鋼筋綁扎、模板支設(shè)、減少了混凝土澆筑時(shí)間，進(jìn)度加快，有利于縮短工期，提高施工質(zhì)量。利用型鋼自身承載能力大的優(yōu)點(diǎn)，可以節(jié)省施工時(shí)所用的支撐，節(jié)約材料；減少預(yù)埋件數(shù)量；尤為顯著的是極大減少了樁的工程量，縮短施工周期，有著廣泛的應(yīng)用前景。

在工程實(shí)踐中我們還需不斷總結(jié)、改進(jìn)、提高、創(chuàng)新，積累經(jīng)驗(yàn)，為同行在結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域樹立良好的形象，增強(qiáng)競爭力，創(chuàng)品牌效應(yīng)。