地面火炬筒體支撐立柱的結(jié)構(gòu)受力分析計(jì)算

營(yíng) 瑩 吳 敏

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第七一一研究所，上海 201108)

1 概述

火炬排放裝置是用來(lái)搜集和處理石油化工生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣的，是煉化企業(yè)安全排放系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。按類型大體可分為地面火炬和高架火炬。隨著近些年煉油裝備制造技術(shù)的發(fā)展，煉化企業(yè)采用的火炬系統(tǒng)也在發(fā)生著變化，從原來(lái)最初普遍應(yīng)用的高架火炬到如今地面火炬和高架火炬的同步應(yīng)用(如圖1所示)。相對(duì)高架火炬存在的安全穩(wěn)定性差，檢修困難，安全防護(hù)距離長(zhǎng)等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)已經(jīng)開始使用地面火炬設(shè)施。相對(duì)高架火炬，地面火炬具有占地面積小，燃盡率高，檢修方便，無(wú)光污染，噪聲低，熱輻射小等特性，越來(lái)越多的得到了推廣應(yīng)用[1,2]。

在石化行業(yè)很多的項(xiàng)目里，有很多地面火炬，在地面火炬的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常會(huì)遇到一個(gè)問(wèn)題：設(shè)備工藝提資是整個(gè)火炬筒體的力，而做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)支撐筒體的立柱進(jìn)行配筋，那如何把整體的火炬體受力分配到各個(gè)立柱，繼而對(duì)立柱進(jìn)行配筋計(jì)算，是需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。本文針對(duì)地面火炬結(jié)構(gòu)做了MIDAS/GEN的數(shù)值模擬和理論計(jì)算，并對(duì)兩個(gè)結(jié)果進(jìn)行比較分析。

2 工程概況及地質(zhì)情況

以某石化廠的地面火炬為例，筒體高28 m，設(shè)備工藝根據(jù)進(jìn)氣量，設(shè)置了12根，截面為500×500混凝土立柱支撐，立柱高4 m，在筒體的外圍，有一圈標(biāo)高7.5 m的混凝土防風(fēng)墻。圖2為項(xiàng)目的立面圖。平面布置圖如圖3所示。

地面火炬立柱受力分析：

垂直力：

筒體重量+保溫重量=1 200 kN。

水平推力：

風(fēng)載荷+水平地震載荷=275 kN。

彎矩(相對(duì)立柱頂面EL4.000):

風(fēng)彎矩+地震彎矩=4 725 kN·m。

3 Midas/Gen數(shù)值模型的建立

3.1 基本假定及邊界條件

為簡(jiǎn)化計(jì)算規(guī)模，保證運(yùn)算結(jié)果的收斂，做出基本假定如下：

1)立柱的頂板，做剛性約束，剛性傳力，傳遞筒體上的荷載。

2)筒體和鋼筋混凝土立柱按線彈性材料考慮，各向同性。

3)立柱柱底的邊界條件，選擇D-ALL,R-ALL模型。

4)輸入荷載假定是荷載組合后的結(jié)果，減少由計(jì)算機(jī)的包絡(luò)和手算荷載組合的計(jì)算過(guò)程。

3.2 模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

對(duì)于這種不規(guī)則結(jié)構(gòu)，采用MIDAS[3-6]的GEN建模，模型如下：

輸入材料特性—建立單元模型—輸入邊界條件—添加荷載—荷載組合—運(yùn)行—設(shè)計(jì)—查看結(jié)果—內(nèi)力—查看反力。圖4為根據(jù)平面布置和荷載布置建立的計(jì)算模型簡(jiǎn)圖，上部筒體的力通過(guò)剛性連接布置，施加在一個(gè)點(diǎn)上。

圖5為運(yùn)行后查看的內(nèi)力結(jié)果，反力簡(jiǎn)圖，△表示反力內(nèi)力最大的點(diǎn)。圖6為運(yùn)行后查看的反力內(nèi)力最小的點(diǎn)。

3.3 模擬結(jié)果

通過(guò)以上模擬計(jì)算，可以得出如下結(jié)果：

最大反力：

Fmax=273.5 kN;

Fmin=-63.5 kN。

正值表示壓力，負(fù)值表示拉力。在對(duì)柱配筋的時(shí)候要分別做受壓分析和受拉分析，取最大的配筋結(jié)果。

4 理論計(jì)算

受力簡(jiǎn)圖如圖7所示，單位為kN。

按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》8.5.4[7]和《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》5.1[8]，對(duì)立柱頂，筒體的受力包括豎向力和水平力按照以下公式分配：

1)豎向力。

偏心荷載豎向力作用下分配到每個(gè)立柱上的豎向力按力學(xué)公式計(jì)算:

其中,N為豎向力荷載代表值，包括筒體自重等材料自重；n為立柱的個(gè)數(shù)；Mx為作用于柱頂?shù)膞方向的彎矩；My為作用于柱頂?shù)膟方向的彎矩；x為立柱的中心到火炬筒體形心的x向的距離；y為立柱的中心到火炬筒體形心的y向的距離；

2)水平力。

其中，V為水平力荷載代表值，包括風(fēng)荷載和水平地震荷載；n為立柱的個(gè)數(shù)。

假設(shè)1：先以圓心為中心，

Fmax=267.67 kN；

Fmin=-67.67 kN。

假設(shè)2：若以圓邊緣為中心，最遠(yuǎn)處點(diǎn)：

Fmax=100+113.8=213.8 kN;

Fmin=-13.8 kN。

最近處點(diǎn)：

Fmax=100+2=102 kN；

Fmin=98 kN。

綜上以圓邊緣為中心：

Fmax=100+113.8=213.8 kN;

Fmin=-13.8 kN。

綜上所述：以圓心為中心的起控制作用。

對(duì)此項(xiàng)目來(lái)說(shuō)就是:

Fmax=267.7 kN;

Fmin=-67.7 kN。

5 結(jié)果分析

理論計(jì)算的結(jié)果是：

Fmax=273.5 kN;

Fmin= -63.5 kN。

對(duì)軟件計(jì)算跟理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比計(jì)算后得到，最大值相差2.1%，最小值相差6.2%，誤差在工程計(jì)算可接受范圍之內(nèi)。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上軟件計(jì)算和理論計(jì)算的對(duì)比，將軟件計(jì)算和理論速算的結(jié)果進(jìn)行了分析對(duì)比，最大受力偏差2.1%，最小受力偏差6.2%，可以進(jìn)行相互替代。本文結(jié)論可以作為地面火炬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例參考，在遇到此類問(wèn)題時(shí)可通過(guò)以上兩種方式處理，得出柱腳反力后，就可以對(duì)立柱進(jìn)行拉、壓、彎、剪受力分析，進(jìn)而對(duì)立柱及以下基礎(chǔ)，進(jìn)行配筋等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。