石油化工鋼結(jié)構(gòu)廠房抗震設(shè)計(jì)

劉祖源

（天津渤化工程有限公司，天津 300193）

目前，鋼結(jié)構(gòu)廠房在石油化工行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。 與傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)廠房相比較，鋼結(jié)構(gòu)廠房施工速度快、工期短，可以快速投產(chǎn)獲利，從而達(dá)到投資者及早回收成本的目的。 同時(shí)，石油化工廠房因其特殊性，更應(yīng)考慮控制其避免被地震破壞，并保證其震后正常的生產(chǎn)功能。 因此石油化工廠房要尤其注意其抗震性設(shè)計(jì)[1，2]。

1 抗震設(shè)計(jì)應(yīng)注意的重要方面

1.1 石油化工鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)圖紙

對(duì)于任何類型的項(xiàng)目，圖紙都是項(xiàng)目建設(shè)的基礎(chǔ)。 鋼結(jié)構(gòu)化工廠房設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)召集施工單位專業(yè)技術(shù)人員審圖，檢查施工圖是否存在“錯(cuò)誤、遺漏、磕碰、缺陷”。 施工前應(yīng)進(jìn)行有效排查，避免工程質(zhì)量因圖紙問題惡化，影響施工進(jìn)度。

1.2 對(duì)石油化工鋼結(jié)構(gòu)廠房支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

以工廠結(jié)構(gòu)形狀為基礎(chǔ)，保證石油化工鋼結(jié)構(gòu)廠房空間運(yùn)行，保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。 車間起重機(jī)的安裝、車間跨度高度、溫區(qū)長度等都應(yīng)有穩(wěn)定的支撐系統(tǒng)。 廠房的每個(gè)溫區(qū)都必須配備穩(wěn)定的柱間支撐系統(tǒng)，并且必須與屋頂?shù)乃街尾贾孟鄥f(xié)調(diào)。

1.3 石油化工鋼結(jié)構(gòu)廠房抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

首先，在廠房建設(shè)前應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)的抗震性能，但基于重力、剛度等條件，在總體布局上也要盡量保證安全性。 當(dāng)受外力作用時(shí)，在剛性較弱的地方，會(huì)產(chǎn)生積累，并成為安全隱患。 同時(shí)，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)利用更堅(jiān)固的框架來減少結(jié)構(gòu)的變形。 其次，在施工過程中，要充分考慮失穩(wěn)問題，鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要能夠充分滿足施工需要，因此需要對(duì)支撐系統(tǒng)進(jìn)行更多的改進(jìn)，以提高整體穩(wěn)定性，并發(fā)揮其抗震性能[3]。

2 石油化工鋼結(jié)構(gòu)廠房抗震設(shè)計(jì)方法

2.1 石油化工廠房的結(jié)構(gòu)平面布置

石油化工廠房一般結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜和龐大，其設(shè)計(jì)必須遵循一定的設(shè)計(jì)規(guī)則，許多化工廠房工藝設(shè)備重量不均，難以分散作用在化工廠房結(jié)構(gòu)上的力，如果結(jié)構(gòu)不合理，受力將出現(xiàn)不均勻。 一旦發(fā)生地震，就會(huì)造成更大的破壞。 在規(guī)劃過程中，化工廠房最好設(shè)計(jì)成長方形，在三維設(shè)計(jì)中，應(yīng)做好化工廠房結(jié)構(gòu)的幾何對(duì)稱分布，在一些建筑物內(nèi)部的結(jié)構(gòu)單元中，應(yīng)對(duì)稱分布一些抗側(cè)力構(gòu)件[4]。 如果工藝設(shè)備本身比較笨重和密集，則應(yīng)將其放置在剛度中心附近，確?；S房中的受力相對(duì)均勻。 在結(jié)構(gòu)剛度差異較大的化工廠房中，必須安裝一些抗震接頭。 在進(jìn)行重型吊車鋼柱的選型時(shí)，應(yīng)充分考慮鋼材消耗的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和固定材料的方便性。 通過實(shí)腹柱和格構(gòu)柱兩種方法， 設(shè)計(jì)人員可以充分比較各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，根據(jù)實(shí)際情況綜合評(píng)價(jià)，選擇最佳方案，既保證了工程的合理性，還可以通過設(shè)計(jì)提高施工的便利性和經(jīng)濟(jì)性[5]。

2.2 地基基礎(chǔ)

石油化工鋼結(jié)構(gòu)廠房在選擇地基時(shí)，應(yīng)選擇同一結(jié)構(gòu)單元的土層，避免同時(shí)選擇性質(zhì)差異較大的土層作為地基。 很多工廠為了在選擇地基時(shí)省錢， 往往將天然地基與人工地基結(jié)合起來使用，這樣容易出現(xiàn)問題，即便出現(xiàn)較小的外力，也可能會(huì)損壞地基，建筑物可能會(huì)倒塌，造成人身傷害。 為了使基礎(chǔ)受力均勻，應(yīng)加深基礎(chǔ)或增加樁長。 在設(shè)計(jì)中應(yīng)采取一些預(yù)防措施，以加強(qiáng)基礎(chǔ)的整體性[6]。 在某些地區(qū)，地基的支護(hù)結(jié)構(gòu)可能會(huì)遇到軟土地基，設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮這些影響因素，以免損壞建筑結(jié)構(gòu)，防止地震期間液化土層下沉，也就是加固地基，目前很多地基工程采用振動(dòng)的方法加固液化土層。 加固完成后，土層標(biāo)準(zhǔn)測試應(yīng)該使用現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。

2.3 石油化工鋼結(jié)構(gòu)廠房有限元空間模型的建立

化工廠房多屬于不規(guī)則建筑，除結(jié)構(gòu)自重和多臺(tái)工藝設(shè)備引起的靜或動(dòng)荷載外，還要考慮地震荷載。 某化工裝置主廠房長180m，11 列，寬126m， 分為7 跨。 該工藝的核心設(shè)備布置在4～5跨中間的高層部分，高度為50m，周邊車間高低不平，主車間有雙層吊車，難度大。 有限元模型應(yīng)在3D 空間建立， 考慮工廠和所用設(shè)備的實(shí)際結(jié)構(gòu)、分析計(jì)算的要求、結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性和設(shè)備載荷。主樓的梁和鋼柱根據(jù)主樓的計(jì)算方法用實(shí)心腹桿代替節(jié)點(diǎn)，各構(gòu)件位置完全根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)布置。

2.4 結(jié)構(gòu)體系

2.4.1 支撐體系

支撐系統(tǒng)可以在確?；S房結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面發(fā)揮重要作用。 在地震中，部分支撐斜桿發(fā)生扭曲，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)扭曲變形，影響整個(gè)化工廠房結(jié)構(gòu)的安全。 目前，關(guān)于柱間支撐的研究很多，應(yīng)用最廣泛的是在化工廠房單元中間安裝上下柱支撐，并將地震力直接傳遞到其他結(jié)構(gòu)。 如果存在無法直接傳遞的情況，則需要采取一些加強(qiáng)措施。

2.4.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

與外殼結(jié)構(gòu)的連接不足，通常會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p壞。 在未來的設(shè)計(jì)中，充分考慮將柱子和墻體結(jié)合起來，并注意填充圍護(hù)結(jié)構(gòu)的高寬比。

2.5 變形控制設(shè)計(jì)

基于計(jì)算的假定值，普通鋼結(jié)構(gòu)框架的化工廠房設(shè)計(jì)通常假設(shè)屋頂剛度趨于無窮大，撓度太大而無法滿足要求。 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)起重機(jī)軌道頂部位置的水平位移有非常嚴(yán)格的規(guī)定，如果頂梁剛度太小，鋼柱就會(huì)變成懸臂柱，位移達(dá)不到要求。在傳統(tǒng)屋面應(yīng)變控制設(shè)計(jì)過程中，主要是使用柱子和屋架相鉸接形成桁架屋面梁，這是由于屋面板的尺寸大，荷載相對(duì)較大，導(dǎo)致容易出現(xiàn)漏水的問題，桁架屋梁的剛度越大，結(jié)構(gòu)安全性越高。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，目前一般化工廠房的建設(shè)主要采用實(shí)腹式梁和輕型的彩鋼板屋面。 在這種情況下，屋梁變形問題不嚴(yán)重，不存在漏水問題，是比較理想的。 因此，一般石油化工鋼結(jié)構(gòu)廠房屋頂變形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須保證科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，以提高結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量。 對(duì)于大噸位起重機(jī)和輕型屋面鋼結(jié)構(gòu)廠房，要注意解決屋面鋼梁撓度問題，避免造成大量浪費(fèi)，因此，對(duì)于鋼梁撓度的設(shè)計(jì)指標(biāo)可以適當(dāng)放寬。

2.6 抗震性能化設(shè)計(jì)的概念和步驟

抗震性能化設(shè)計(jì)，是一種建立在概念設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的抗震設(shè)計(jì)新理念，其抗震設(shè)防目標(biāo)不應(yīng)低于規(guī)范的最基本的抗震性能目標(biāo)，它是根據(jù)工程的具體情況，立足于承載力和變形能力的綜合考慮，確定合理的抗震設(shè)防目標(biāo)，采取恰當(dāng)?shù)挠?jì)算和抗震措施， 實(shí)現(xiàn)抗震性能目標(biāo)的要求。它根據(jù)不同地震動(dòng)作用（小震、中震及大震）、不同構(gòu)件（關(guān)鍵構(gòu)件、普通豎向構(gòu)件、耗能構(gòu)件）、以及同一構(gòu)件的不同內(nèi)力（軸力、彎矩、剪力等） 提出不同的性能目標(biāo)和設(shè)計(jì)計(jì)算方法，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全和經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。 通過制定不同的性能水準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以保證結(jié)構(gòu)在地震下的安全性能和使用性能。 同時(shí)，在抗震性能化設(shè)計(jì)過程中，依然要嚴(yán)格遵循抗震概念設(shè)計(jì)的基本原則，諸如強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)連接弱構(gòu)件等。

在多遇地震下， 根據(jù)建筑抗震設(shè)防類別、場地類別、結(jié)構(gòu)體系類別、設(shè)防烈度等確定抗震設(shè)計(jì)參數(shù)，通過反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震計(jì)算分析，結(jié)合以抗震等級(jí)為核心的內(nèi)力調(diào)整、抗震構(gòu)造措施等進(jìn)行截面設(shè)計(jì)，其基本原則是“高延性，低彈性承載力”、“低延性，高彈性承載力”。

化工廠房由于其特殊性，有時(shí)需要控制其在大震下建筑和設(shè)施的破壞，保持地震時(shí)正常的生產(chǎn)生活功能，減少地震對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活帶來的影響，此時(shí)有必要采用高于基本抗震設(shè)防目標(biāo)的性能化設(shè)計(jì)方法； 有時(shí)地震作用不是主要控制作用，此時(shí)可以相應(yīng)降低抗震構(gòu)造以節(jié)省造價(jià)。 為此筆者按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱《鋼標(biāo)》）總結(jié)了鋼結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)步驟與方法流程圖（見圖1）。

圖1

總之， 由于設(shè)計(jì)安裝時(shí)間短、 用鋼量低、工業(yè)化程度高， 鋼結(jié)構(gòu)已成為現(xiàn)代建筑業(yè)不可缺少的組成部分，廣泛應(yīng)用于倉庫和廠房。 在設(shè)計(jì)石油化工鋼結(jié)構(gòu)廠房，尤其是大型化工廠房時(shí)，不能想當(dāng)然地設(shè)計(jì)，而是要結(jié)合實(shí)際情況，綜合考慮地理環(huán)境等因素。 在充分了解石油化工鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)際工業(yè)需求后， 找到最優(yōu)方案，進(jìn)行設(shè)計(jì)。 通過優(yōu)先考慮工程質(zhì)量，可以在現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)中傳達(dá)節(jié)能、環(huán)保、美觀的理念。