淺談鋼結(jié)構(gòu)冷換框架支撐的設(shè)計(jì)

陳紹婷

摘要：在石化項(xiàng)目中，經(jīng)常會(huì)遇到一些冷換框架，基本用于支承冷卻設(shè)備、換熱設(shè)備、臥式容器設(shè)備以及在框架頂層設(shè)置有空氣冷卻設(shè)備的鋼結(jié)構(gòu)框架。當(dāng)運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件PKPM進(jìn)行抗震計(jì)算時(shí)，必須通過合理而又準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)形式，從而保證框架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定。本文總結(jié)了已經(jīng)做過的冷換框架的情況，對(duì)結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)、荷載輸入、地震作用計(jì)算以及不同結(jié)構(gòu)類型支撐的設(shè)計(jì)分析等幾個(gè)方面進(jìn)行了闡述。

Abstract： In petrochemical projects， some cold exchange frames are often encountered， which are basically used to support cooling equipment， heat exchange equipment， horizontal vessel equipment and steel frame with air cooling equipment at the top of the frame. When the structural design software PKPM is used for seismic calculation， reasonable and accurate structural form must be adopted to ensure the strength and stability of the frame structure. This paper summarizes the situation of the cold exchange frame that has been done， and expounds the structural scheme design， load input， earthquake action calculation and design analysis of different structural types of supports.

關(guān)鍵詞：冷換框架;地震作用;抗震驗(yàn)算;結(jié)構(gòu)分析

Key words： cold exchange frame;earthquake action;seismic check;structural analysis

中圖分類號(hào)：TQ050.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）27-0096-02

0? 引言

石油化工行業(yè)中的建、構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是滿足生產(chǎn)工藝的生產(chǎn)需求，而土建是設(shè)備、工藝管線的支撐和基礎(chǔ)。尤其是用于支撐各類設(shè)備的鋼結(jié)構(gòu)冷換框架結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面也存在其特殊性。由于冷換框架支承設(shè)備的特殊性，其承受的荷載具有多樣性，所產(chǎn)生的水平荷載較大，為保證結(jié)構(gòu)的安全以及工藝要求，冷換框架。因此冷換設(shè)備框架常采用框架-支撐結(jié)構(gòu)形式，增加抗側(cè)力的剛度，以適應(yīng)各種情況的出現(xiàn)。本文主要通過具體工程實(shí)例的計(jì)算，對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比介紹。

1? 工程背景

1.1 項(xiàng)目概述

本工程為陜西省榆林地區(qū)某煉油廠裝置技術(shù)及配套設(shè)施改造項(xiàng)目中，連續(xù)重整裝置中的SS2冷換框架。

1.2 自然條件

根據(jù)項(xiàng)目工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告規(guī)定，相應(yīng)于設(shè)防烈度的設(shè)計(jì)基本加速度為0.05g，地震設(shè)計(jì)特征周期為0.35s，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類別為II類?？蚣艿陌踩燃?jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防類別為丙類，結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為四級(jí)。基本風(fēng)壓值取0.4kN/m2。

1.3 設(shè)備、布置條件

本工程框架頂標(biāo)高20.500m，局部坐標(biāo)為26.200m;框架結(jié)構(gòu)平面尺寸為31m×8.7m，縱向5跨，橫向1跨;框架上7.000m平臺(tái)上支撐5臺(tái)臥式容器，2臺(tái)換熱器;14.500m平臺(tái)上支撐5臺(tái)換熱器;20.500m平臺(tái)上支撐有3臺(tái)空冷器;局部坐標(biāo)為26.200m的平臺(tái)上支撐1臺(tái)換熱器。臥式容器和換熱器通過設(shè)備支座與支撐梁連接;空冷器通過采用地腳螺栓的形式，與框架柱頂部直接連接，局部與支撐梁連接。

2? 荷載及地震作用

2.1 荷載分類

依據(jù)規(guī)范要求，冷換框架上的荷載可分為永久荷載、可變荷載。永久荷載包括結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備及管道自重、設(shè)備及管道保溫層重;可變荷載包括設(shè)備操作介質(zhì)重，設(shè)備充水重，空冷器風(fēng)機(jī)和電機(jī)的當(dāng)量荷載，平臺(tái)均布活荷載，風(fēng)荷載?？蚣苌现С械脑O(shè)備不同，其荷載形式也有所區(qū)別。例如，冷換設(shè)備在計(jì)算時(shí)必須考慮的一項(xiàng)可變荷載就是停產(chǎn)檢修時(shí)的抽芯力，但與其他可變荷載相比，抽芯力具有作用持續(xù)時(shí)間很短、兩次作用之間的間隔時(shí)間較長(zhǎng)的特點(diǎn)。因此，嚴(yán)格的講，抽芯力是有別于諸如樓、屋面活荷載、風(fēng)荷載等可變荷載的一種荷載，因此其在檢修工況下進(jìn)行荷載組合時(shí)，相應(yīng)的組合值系數(shù)及分項(xiàng)系數(shù)是有所區(qū)別的。

2.2 地震作用

《抗規(guī)》指出，6度時(shí)的建筑符合有關(guān)抗震措施，可不進(jìn)行截面抗震驗(yàn)算，但對(duì)于冷換框架，由于存在重量較大的設(shè)備，將會(huì)造成各樓層重力荷載代表值較大，且存在各層質(zhì)量比較大，即便是在6度區(qū)，其所產(chǎn)生的地震作用不容忽視，必須進(jìn)行地震作用計(jì)算及抗震驗(yàn)算，并采取相應(yīng)抗震措施。

2.3 風(fēng)荷載

結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載應(yīng)包括梁、柱、斜撐、欄桿和設(shè)備所承受的風(fēng)荷載。計(jì)算風(fēng)荷載時(shí)應(yīng)考慮前后每榀框架、前后設(shè)備之間的相互遮擋。計(jì)算臥式設(shè)備時(shí)應(yīng)考慮設(shè)備支座的擋風(fēng)面積，設(shè)備的風(fēng)荷載體形系數(shù)，沿臥式設(shè)備縱向取1.3，沿單放設(shè)備橫向取0.7，沿疊放設(shè)備橫向取1.2。并且需要考慮設(shè)備風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎矩對(duì)設(shè)備梁及框架的影響。

2.4 荷載組合

冷換框架設(shè)計(jì)的荷載效應(yīng)組合常存在四種工況：正常操作工況、停產(chǎn)檢修工況、充水試壓工況和地震工況。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，在不同的工況下，對(duì)不同的構(gòu)件產(chǎn)生最不利組合，因此，往往要對(duì)各工況進(jìn)行詳盡分析，尋找出最不利組合。利用PKPM進(jìn)行計(jì)算工業(yè)構(gòu)筑物時(shí)，應(yīng)對(duì)各工況的進(jìn)行自定義組合，并注意各種工況下荷載分項(xiàng)系數(shù)及組合值系數(shù)的調(diào)整：①操作介質(zhì)重的分項(xiàng)系數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí)取1.2，對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)取1.0，組合系數(shù)為1.0;②空冷風(fēng)機(jī)和電機(jī)的當(dāng)量荷載，分項(xiàng)系數(shù)為1.3，組合系數(shù)為1.0;③充水荷載，分項(xiàng)系數(shù)為1.1，組合系數(shù)為1.0。

冷換框架的荷載效應(yīng)組合詳見表1。

3? 結(jié)構(gòu)分析

工業(yè)構(gòu)筑物中，常采用純鋼框架結(jié)構(gòu)、框架-支撐結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)形式，對(duì)于冷換框架這種為設(shè)備服務(wù)的結(jié)構(gòu)形式，常采用框架-支撐結(jié)構(gòu)形式，其相較于純鋼框架結(jié)構(gòu)形式有其明顯的優(yōu)勢(shì)，以下通過兩種不同結(jié)構(gòu)形式的模型建立及其計(jì)算分析所碰到的問題做了介紹，并對(duì)這兩種不同結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了對(duì)比：

3.1 計(jì)算模型

3.1.1 框架-支撐結(jié)構(gòu)

由于冷換框架上設(shè)備較多，并且頂部有空冷器，為了生產(chǎn)操作更方便，設(shè)備梁需要縱向布置，框架橫向布置成框架-支撐體系，因此，框架柱的布置方向?yàn)檠乜v向是強(qiáng)軸方向。眾所周知，在支撐-框架體系中，增設(shè)X撐的框架-支撐結(jié)構(gòu)體系其抗側(cè)剛度優(yōu)于人字支撐-框架體系，但是考慮到管道布置的因素，X撐常與管道布置發(fā)生沖突，因此本工程選用人字支撐-框架體系。

在模型建立時(shí)，針對(duì)冷換框架結(jié)構(gòu)特殊性，需要注意以下幾個(gè)方面問題：

①柱間支撐的計(jì)算長(zhǎng)度，平面內(nèi)底層為L(zhǎng)，其他層為0.8L;平面外底層與其它層均為L(zhǎng)，其中L為支撐平面內(nèi)、外的幾何長(zhǎng)度;支撐的長(zhǎng)細(xì)比，受壓為150，受拉為300，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，此項(xiàng)目中，長(zhǎng)細(xì)比控制在200;

②柱的計(jì)算長(zhǎng)度，平面內(nèi)為強(qiáng)軸方向，未打撐，由軟件通過有側(cè)移計(jì)算得出，平面外為弱軸方向，有柱間支撐，根據(jù)《抗震規(guī)范》及《石油化工鋼結(jié)構(gòu)冷換框架設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，層間相對(duì)位移與層高之比值不宜大于1/250，按照無側(cè)移結(jié)構(gòu)計(jì)算，長(zhǎng)度系數(shù)取1.0;

③建模時(shí)，盡量使結(jié)構(gòu)布置簡(jiǎn)單明了，除框架梁以外，只需要布置設(shè)備支撐梁及必要的平臺(tái)梁，并且如果設(shè)備梁上有水平操作荷載，需要單獨(dú)驗(yàn)算此梁平面外強(qiáng)度及穩(wěn)定性;而在實(shí)際施工中，通常在安裝大型設(shè)備的兩個(gè)支撐梁之間，垂直增加一根或兩根此梁，以便相互約束，避免設(shè)備梁發(fā)生扭轉(zhuǎn);

④梁柱連接節(jié)點(diǎn)采用雙向剛接的焊接節(jié)點(diǎn)，等強(qiáng)連接，通過大量經(jīng)驗(yàn)表明，等強(qiáng)連接既能保證強(qiáng)度要求，又能為方便后期施工圖繪制，提高效率;柱間支撐節(jié)點(diǎn)同樣選擇等強(qiáng)連接，并根據(jù)《抗震規(guī)范》乘以1.2的連接系數(shù)。

3.1.2 框架結(jié)構(gòu)

這種方法是直接建立鋼結(jié)構(gòu)框架模型，模型中并不包含柱間交叉支撐，即在計(jì)算中不考慮柱間支撐對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)力性能的影響。

3.2 設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比

通過使用PKPM軟件分別對(duì)兩種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行計(jì)算，通過對(duì)：水平荷載作用下頂層側(cè)向位移及位移角;地震荷載作用產(chǎn)生底層最大剪力;構(gòu)件驗(yàn)算;振動(dòng)周期與扭轉(zhuǎn)角度，進(jìn)行對(duì)比可知：

①冷換框架結(jié)構(gòu)中，柱間支撐在抵抗側(cè)向力時(shí)，發(fā)揮重要作用;增加柱間支撐，能有效減小頂層位移與位移角; ②增加柱間支撐，能有效地將構(gòu)架上的荷載，傳至框架柱底層，直接作用在基礎(chǔ)上，將不再對(duì)框架柱造成過重的負(fù)擔(dān)，也能減小框架柱截面;③冷換框架結(jié)構(gòu)中，在承受設(shè)備荷載的框架梁下增加柱間支撐，能有效減小框架梁的應(yīng)力及撓度，提高框架梁整體穩(wěn)定性;當(dāng)框架不設(shè)支撐時(shí)，為了滿足承載力要求粱、柱的截面都需要很大，因此會(huì)造成浪費(fèi)，并且加支撐比增加粱、柱的剛度更為有效;④框架-支撐結(jié)構(gòu)，振動(dòng)周期小，并且扭轉(zhuǎn)的角度很小，能更好的滿足冷換框架的變性要求，避免由于扭轉(zhuǎn)過大，框架上設(shè)備所產(chǎn)生的附加荷載對(duì)結(jié)構(gòu)造成不良影響。

4? 結(jié)論

本文通過冷換框架結(jié)構(gòu)的工程實(shí)例，介紹了該結(jié)構(gòu)在計(jì)算中所存在的注意事項(xiàng)，并進(jìn)行了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析，對(duì)今后的工程設(shè)計(jì)起到了一定指導(dǎo)作用。

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