鋼管架平面與空間模型計(jì)算的對(duì)比

包 凱（中石化洛陽工程有限公司，河南洛陽 471000）

鋼管架平面與空間模型計(jì)算的對(duì)比

包 凱
（中石化洛陽工程有限公司，河南洛陽 471000）

管架結(jié)構(gòu)是石化工程設(shè)計(jì)中一種常見構(gòu)筑物，是裝置間及裝置內(nèi)各單體、建構(gòu)筑物及設(shè)備間相互連接的重要途徑。在日常的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，對(duì)于管架結(jié)構(gòu)通常采用平面計(jì)算模型，隨著STAADPRO等有限元軟件在設(shè)計(jì)工作中的推廣，三維空間有限元分析模型在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中具備了很強(qiáng)的操作性，針對(duì)實(shí)際工程分別采用兩種分析模型進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)模型進(jìn)行對(duì)比，供設(shè)計(jì)人員在日后的設(shè)計(jì)工作中參考。

縱梁式管架；平面計(jì)算；空間計(jì)算

1　管架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

管架結(jié)構(gòu)是石化行業(yè)工程設(shè)計(jì)中一種常見結(jié)構(gòu)，是裝置間及裝置內(nèi)各單體、建構(gòu)筑物及設(shè)備間相互連接的重要途徑，具有面多量廣、形式復(fù)雜多樣的特點(diǎn)，是煉油裝置最基本的構(gòu)筑物形式之一。而鋼結(jié)構(gòu)管架，具有自重輕，材料強(qiáng)度高，具有良好的韌性，受力明確，施工方便，易于改造的特點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用于石化行業(yè)裝置內(nèi)管架結(jié)構(gòu)。

在SH/T3055—2007，石油化工管架設(shè)計(jì)規(guī)范中，將管架根據(jù)結(jié)構(gòu)形式分類如下：獨(dú)立式管架（可分為剛性管架和柔性管架）、跨越式管架、縱梁（桁架）式管架、拉桿式管架、吊索式管架和特種管架［1］。

裝置內(nèi)管架通常采用縱梁式管架結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)為：受力形式相對(duì)簡(jiǎn)單，主要荷載為管道垂直荷載及熱力管線產(chǎn)生的水平推力，部分管架會(huì)根據(jù)工藝要求在頂層設(shè)置空冷器而帶來的相關(guān)垂直荷載和水平荷載，工藝要求布置在管架上的設(shè)備荷載以及儀表電氣專業(yè)在管架上布置槽盒橋架帶來的垂直荷載。通常承重方案為橫向承重體系，縱向長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于橫向長(zhǎng)度，單榀管架平面內(nèi)剛接，平面外多數(shù)采用有支撐體系，縱向連系梁與各剛架鉸接。

2　平面與空間計(jì)算模型簡(jiǎn)介

實(shí)際結(jié)構(gòu)是空間的受力體系，但不論是靜力分析還是動(dòng)力分析，往往必須采取一定的簡(jiǎn)化處理，以建立相應(yīng)的計(jì)算簡(jiǎn)圖或分析模型。目前，常用的結(jié)構(gòu)分析模型可分為兩大類：一類為平面結(jié)構(gòu)分析模型；另一類為三維空間有限元分析模型。

2.1平面結(jié)構(gòu)分析模型

此計(jì)算方法將結(jié)構(gòu)劃分若干片正交或斜交的平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，但對(duì)任意方向的水平荷載和水平地震作用，所有正交或斜交的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)均參與工作，并按空間位移協(xié)調(diào)條件進(jìn)行水平力的分配。樓板假定在其自身平面內(nèi)剛度無限大。主要適用于平面布置較為規(guī)則的框架結(jié)構(gòu)、框-剪結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)等。

在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，管架結(jié)構(gòu)通常采用STS-PK或STAADPRO/SSDD進(jìn)行計(jì)算，將管架結(jié)構(gòu)沿縱向簡(jiǎn)化成若干榀獨(dú)立的管架，使管架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為二維桿系結(jié)構(gòu)。然后抽取其中具有代表性的若干榀管架進(jìn)行核算，管架縱向則采用有支撐體系。常常忽略管橋結(jié)構(gòu)的縱向計(jì)算，僅在平面內(nèi)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算及構(gòu)件校核。對(duì)于管架的縱向梁，雖然要求能傳遞縱向拉力，但是因?yàn)槠渫ǔ２捎肏型鋼，其軸向承載能力一般不起控制作用，在實(shí)際設(shè)計(jì)中僅按照縱向梁承受橫向進(jìn)出管道荷載和其他荷載進(jìn)行控制。而管架的柱間支撐通常情況下不由強(qiáng)度條件控制，僅須根據(jù)容許長(zhǎng)細(xì)比對(duì)支撐截面型號(hào)進(jìn)行控制。

2.2三維空間有限元分析模型

此計(jì)算方法將建筑結(jié)構(gòu)作為空間體系，以節(jié)點(diǎn)位移為未知量，由矩陣位移法形成線性方程組求解。該方法計(jì)算精度較高，適用于各種類型，各種形狀，不同邊界條件的結(jié)構(gòu)，各種工況如風(fēng)荷載作用和地震作用均可計(jì)算。

3　實(shí)際工程中兩種算法結(jié)果的對(duì)比

3.1工程概況

為了對(duì)比在縱梁式管架結(jié)構(gòu)采用兩種計(jì)算模型所得到結(jié)果的異同，現(xiàn)對(duì)實(shí)際工程作出對(duì)比。該工程為某煉油裝置中主管橋，采用鋼結(jié)構(gòu)縱梁式管架形式，管架共12個(gè)軸線，單跨，跨度為5.7m，1～2軸柱距5.5m，2～12軸柱距6m，總長(zhǎng)65.5m，其中5-9軸線內(nèi)布置了空冷器。當(dāng)?shù)刈匀粭l件風(fēng)荷載為0.55kN/ m2，地面粗糙度為B類，地震設(shè)防烈度7度，基本加速度0.10g，設(shè)防分組為第一組，場(chǎng)地土為II類。采用天然地基，其地基承載力特征值為180kPa。

3.2平面結(jié)構(gòu)分析模型

在此計(jì)算方案中采用PKPM中STS-PK進(jìn)行平面建模及計(jì)算。其中選取具有代表性的6軸（帶空冷不打撐），7軸（帶空冷打撐），10軸（不帶空冷不打撐）構(gòu)件以及A軸構(gòu)件進(jìn)行縱向計(jì)算，校核構(gòu)件強(qiáng)度剛度及穩(wěn)定性。

該方法為實(shí)際設(shè)計(jì)工作中經(jīng)常采用的，用以指導(dǎo)管架的橫向計(jì)算的基礎(chǔ)大小以及上部結(jié)構(gòu)重鋼柱及管道橫向梁的選型。而在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)人員往往僅對(duì)管架進(jìn)行橫向計(jì)算，縱向計(jì)算僅憑經(jīng)驗(yàn)對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行適當(dāng)放大。

3.3三維空間有限元分析模型

該計(jì)算方案采用STAADPRO/SSDD有限元計(jì)算軟件進(jìn)行空間建模，經(jīng)計(jì)算得到結(jié)果。由SSDD對(duì)管架結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)范驗(yàn)算。在結(jié)果中抽取具有代表性的6軸（帶空冷不打撐），7軸（帶空冷打撐），10軸（不帶空冷不打撐）構(gòu)件檢驗(yàn)結(jié)果及柱底反力，用于與采用PK平面模型所得計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

3.4結(jié)果對(duì)比

將PK-STS和STAAD軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分別見表1、表2。

根據(jù)表1～2中數(shù)據(jù)，可以看到日常設(shè)計(jì)工作中兩種計(jì)算模型對(duì)相同的單體設(shè)計(jì)存在一定的差異。根據(jù)對(duì)比的結(jié)果，歸納為以下幾點(diǎn)：

表1　構(gòu)件應(yīng)力比對(duì)比

表2　柱底反力對(duì)比

（1）結(jié)構(gòu)構(gòu)件計(jì)算差別：由對(duì)比結(jié)果可以明顯看出兩種模型中橫梁應(yīng)力比（整體穩(wěn)定應(yīng)力比）具有明顯的差別。在工程實(shí)際中，管架橫梁上部與管道存在連接關(guān)系，對(duì)橫梁的整體穩(wěn)定有利。對(duì)于柱構(gòu)件來說，二者計(jì)算結(jié)果基本相近，STAAD模型由于考慮了兩個(gè)方向的受力，更接近工程實(shí)際。

（2）柱底反力計(jì)算差別：由以上結(jié)果可以看出在不打撐的部位，計(jì)算結(jié)果差別不是很大，根據(jù)STAADPRO計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)略大于PK-STS計(jì)算得到的基礎(chǔ)。在打撐的位置二者得到柱底反力有較大差別。由于STAADPRO中考慮了支撐對(duì)結(jié)構(gòu)柱底反力的影響，比較接近工程實(shí)際，而在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，由PK得到結(jié)果在有支撐處基礎(chǔ)的適當(dāng)放大也是符合這一計(jì)算結(jié)果的。

4　結(jié)束語

通過二種不同的計(jì)算模型的對(duì)比，我們可以看出三維模型的計(jì)算結(jié)果更接近于工程實(shí)際，但是建模過程相對(duì)復(fù)雜，設(shè)計(jì)效率一般。但是在有支撐位置的基礎(chǔ)計(jì)算中可以提供有力的數(shù)據(jù)支撐，保證基礎(chǔ)計(jì)算的合理性。因此在日后的設(shè)計(jì)工作中，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)采用三維空間有限元分析模型進(jìn)行分析是合理的。

［1］ SH/T3055—2007《石油化工管架設(shè)計(jì)規(guī)范》［S］.

收稿日期：2016-05-08

作者簡(jiǎn)介： 包凱（1986—），男，吉林長(zhǎng)春人，工程師，主要從事石油化工行業(yè)建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Contrast the Plane and Space Model Calculation of Steel Pipe

Bao Kai

The rack structure is a common petrochemical engineering design structures，is an important way between the device and the apparatus between the monomers，building structures and equipment connected to each other.In the daily work of the structural design，the tube frame structure generally planar model，with STAADPRO and other finite element software promotion in the design work，three-dimensional finite element model of the actual design work，with a strong operational two analysis models were used to calculate the actual engineering，and model comparison for designers to reference in the future design work.

stringer type pipe rack；plane calculation；space calculation

U213.4

A

1003-6490（2016）05-0025-02

2016-05-12

郭亮（1981—），男，廣東珠海人，助理工程師，主要從事石油化工及危險(xiǎn)化學(xué)品行業(yè)應(yīng)急救援和安全監(jiān)管工作。