某煤化工主廠房氣化框架設(shè)計(jì)與分析

張明輝， 王建偉

1 東華工程科技股份有限公司（230024） 2 河南科技學(xué)院園林學(xué)院（453003）

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)際原油價(jià)格大幅攀升，而我國(guó)資源的分布又屬于“富煤缺油少氣型”[1]，因此，我國(guó)煤化工行業(yè)進(jìn)入了前所未有的大發(fā)展時(shí)期。隨著大型煤化工基地的發(fā)展，為了滿足現(xiàn)代工廠生產(chǎn)工藝的需要，某些基地的主廠房呈現(xiàn)出錯(cuò)層多、樓面開(kāi)洞多、工藝布置復(fù)雜、設(shè)備重震動(dòng)大且在較高樓層運(yùn)行等特點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求越來(lái)越高。鑒于此，本文以某煤化工主廠房氣化框架為例，探討其框架設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，以供同類項(xiàng)目主廠房框架設(shè)計(jì)做以參考。

1 工程概況

該氣化框架主廠房總長(zhǎng)45.0m、總寬21.0m、總高度43.0 m。主要樓面布置及設(shè)備布置如下:第1層7.500m，有3臺(tái)各重45t的鎖斗；第3層15.500m，有3臺(tái)各重20t的檢修用推車;第4層22.500m,有3臺(tái)各重425t的氣化爐，22.500 m平面布置圖見(jiàn)圖1;第5層30.000m,有3臺(tái)各重32t的鎖斗沖洗罐;頂層43.000m,有1臺(tái)3t電動(dòng)葫蘆。本工程分別在東西兩側(cè)設(shè)樓梯各一個(gè)，同時(shí)在東側(cè)設(shè)消防電梯一部。

圖1 22.500m平面圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案選擇

本工程主要設(shè)備為3臺(tái)氣化爐，單臺(tái)氣化爐操作重425 t，凈重100t，且需要安裝于第4層22.500m處。本工程樓層豎向布置及設(shè)備布置見(jiàn)圖2。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案選擇時(shí)，需要重點(diǎn)考慮選擇哪種結(jié)構(gòu)作為氣化爐支撐體及氣化爐的吊裝問(wèn)題。根據(jù)本工程特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)專家討論，為確保氣化爐安全運(yùn)行,氣化爐承重結(jié)構(gòu)即第4層22.500m平面以下采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。同時(shí)綜合考慮氣化爐吊裝的經(jīng)濟(jì)性、安全性、工程進(jìn)度等多方面因素，最后提出三種方案。

方案一:結(jié)構(gòu)型式選為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，選擇頂層43.000m鋼筋混凝土梁用于氣化爐吊裝,待本工程主體施工完畢，混凝土養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，利用卷?yè)P(yáng)機(jī)和滑輪組，借用框架主體、頂層43.000m鋼筋混凝土梁及埋置于設(shè)定位置的錨點(diǎn)，將氣化爐吊裝至第4層22.500m平面，然后將氣化爐安裝定位。

方案二:上部主要承重結(jié)構(gòu)即第4層22.500m平面以下采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，22.500～43.000m采用鋼結(jié)構(gòu)，待第4層22.500m以下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工完畢，混凝土養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，采用2000t吊車將氣化爐吊裝至第4層22.500m平面，先將氣化爐安裝定位，然后施工上部鋼結(jié)構(gòu)。

方案三:本工程結(jié)構(gòu)型式選為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),待第4層22.500m以下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工完畢,混凝土養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,采用2000t吊車將氣化爐吊至第4層22.500m平面,先將氣化爐安裝定位，然后施工22.500～43.000m鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

無(wú)論采用那種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，在施工時(shí)施工單位必須制定更詳細(xì)的氣化爐吊裝方案，確保設(shè)備吊裝安全。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案比選時(shí),設(shè)計(jì)者重點(diǎn)從主體結(jié)構(gòu)造價(jià)、吊裝費(fèi)用、施工總工期這三個(gè)方面進(jìn)行方案比較。

方案二的優(yōu)點(diǎn)是施工速度快，但是由于方案二中22.500～43.000m采用鋼結(jié)構(gòu)，用鋼量較大，且鋼材價(jià)格較高，造成方案二主體結(jié)構(gòu)造價(jià)最高，不符合經(jīng)濟(jì)性要求。

方案三比較經(jīng)濟(jì),但是方案三所需施工總工期最長(zhǎng),且在氣化爐安裝完成后再施工22.500～43.000m鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，不利于重要設(shè)備保護(hù)。

相比之下，方案一主體結(jié)構(gòu)造價(jià)最低，同時(shí)方案一是在主體結(jié)構(gòu)施工完成后，再吊裝氣化爐,有利于重要設(shè)備保護(hù)；而且方案一是利用卷?yè)P(yáng)機(jī)和滑輪組,借用框架主體、頂層43.000 m鋼筋混凝土梁及埋置于設(shè)定位置的錨點(diǎn)，吊裝氣化爐，可以大大節(jié)約吊裝費(fèi)用；最重要的是，如果重要設(shè)備氣化爐因廠家原因或者運(yùn)輸問(wèn)題不能按時(shí)到貨，方案二和方案三，都會(huì)影響主體結(jié)構(gòu)施工，使得總工期受到設(shè)備到貨時(shí)間制約，而方案一是在主體結(jié)構(gòu)施工完成后，再吊裝氣化爐,有效避免了設(shè)備到貨對(duì)施工總工期的不利影響。三種方案綜合比較可見(jiàn)方案一最優(yōu)，故選擇方案一作為本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。中國(guó)建筑科學(xué)研究院編制的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件PKPM系列軟件(SATWE)，隨著程序的不斷完善，在輸入和運(yùn)行上都有了極大的改進(jìn)，并且經(jīng)過(guò)實(shí)際工程檢驗(yàn)，運(yùn)用該程序計(jì)算出來(lái)的配筋結(jié)果準(zhǔn)確性較高，可以有效地滿足結(jié)構(gòu)安全性的要求，故本工程選取PKPM2008版軟件進(jìn)行空間整體建模分析計(jì)算，并進(jìn)行中國(guó)規(guī)范檢驗(yàn)。在計(jì)算模型分析時(shí)分別按照氣化爐吊裝和正常運(yùn)行兩種工況進(jìn)行程序分析計(jì)算,然后取最不利結(jié)果進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)。

圖2 主廠房剖面圖

3 結(jié)構(gòu)建模與分析

3.1 計(jì)算參數(shù)

本工程所在場(chǎng)地的地震基本烈度為7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，氣化框架設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1，建筑場(chǎng)地類別為II類，場(chǎng)地屬抗震有利地段，地面粗糙度為B類，基本風(fēng)壓為0.65kN/m2，基本雪壓為 0.35kN/m2。

3.2 抗震等級(jí)

根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》[2]第7.2條分析，本工程抗震設(shè)防類別應(yīng)劃為乙類；根據(jù)《高層間準(zhǔn)凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]（以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》）第4.8條分析，本工程房屋高度大于30m,且本工程為乙類設(shè)防,故本工程抗震等級(jí)為一級(jí)。

3.3 陣型數(shù)選取及柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)確定

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]第5.2.2條條文說(shuō)明分析，有效質(zhì)量數(shù)是判定結(jié)構(gòu)陣型數(shù)取得夠不夠的重要指標(biāo),也是地震作用夠不夠的重要指標(biāo)。當(dāng)有效質(zhì)量數(shù)大于90%時(shí),表示陣型數(shù)、地震作用滿足規(guī)范要求。反之應(yīng)增加計(jì)算的陣型數(shù)，否則按此地震作用設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)將不存在安全性。本工程結(jié)構(gòu)計(jì)算陣型數(shù)取15，經(jīng)程序計(jì)算，滿足規(guī)范要求。在計(jì)算模型分析時(shí)，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)核算，部分框架柱水平荷載產(chǎn)生的彎矩設(shè)計(jì)值占總彎矩設(shè)計(jì)值的75%以上,框架柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)計(jì)算應(yīng)執(zhí)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]第7.3.11-3條，所以程序計(jì)算時(shí)應(yīng)選“混凝土柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)計(jì)算執(zhí)行混凝土規(guī)范第7.3.11-3條”。

3.4 規(guī)則性判定、抗震變形驗(yàn)算及軸壓比控制

根據(jù)《高規(guī)》第4.3和4.4條分析，本工程屬于平面和立面均不規(guī)則結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)階段我國(guó)抗震設(shè)防思想是:“三水準(zhǔn)的設(shè)防目標(biāo)”和為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)而采取的“兩階段設(shè)計(jì)步驟”。本工程主廠房在進(jìn)行空間整體建模分析計(jì)算時(shí),中震作用下采用彈性反應(yīng)譜法進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算,并考慮雙向地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響，按彈性方法計(jì)算的樓層層間最大位移與層高之比Δu/h滿足《高規(guī)》第4.6.3條要求；大震作用時(shí)采用彈塑性時(shí)程分析，結(jié)構(gòu)薄弱層的層間彈塑性位移滿足《高規(guī)》第4.6.5條要求,說(shuō)明該框架結(jié)構(gòu)布置及剛度分布能很好滿足結(jié)構(gòu)抗震要求。軸壓比是控制框架柱截面延性性能的主要指標(biāo)，控制軸壓比限值的目的是要求框架柱截面達(dá)到具有較好延性性能的大偏壓延性破壞狀態(tài),以防止小偏壓狀態(tài)的脆性破壞，從而保證框架結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下即使超出彈性極限仍具有足夠大的彈塑性極限變形能力（即延性和耗能能力），實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的設(shè)計(jì)目標(biāo)。根據(jù)《高規(guī)》第6.4.2條要求，本工程框架柱的軸壓比不大于0.80，短柱軸壓比不大于0.75，經(jīng)過(guò)PKPM計(jì)算分析，軸壓比滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

煤化工項(xiàng)目主廠房氣化框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程。因其結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜、平面和豎向布置均不規(guī)則、錯(cuò)層多、樓面開(kāi)洞多、樓面大型設(shè)備又為振動(dòng)設(shè)備等特點(diǎn)，且該類項(xiàng)目主廠房在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮設(shè)備吊裝等因素，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)必須予以足夠重視,對(duì)其設(shè)計(jì)方案的選擇、計(jì)算模型的選擇、設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇及計(jì)算結(jié)果，都應(yīng)作出認(rèn)真的分析判斷，從而做出相對(duì)比較安全、經(jīng)濟(jì)、合理的設(shè)計(jì)方案。

[1]錢(qián)學(xué)文.中國(guó)與中東的能源合作[J].國(guó)際觀察,2008(1):45-50.

[2]GB50223-2008,建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]JGJ3-2002J186-2002,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[4]GB50011-2001（2008年版）,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]GB50010-2002,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].