基于美國標(biāo)準(zhǔn)的換熱器及臥式容器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

宋智杰

（華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安 710065）

1 美標(biāo)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

美國標(biāo)準(zhǔn)（美標(biāo)）雖與我國國家標(biāo)準(zhǔn)（國標(biāo)）有很多相似之處，但兩者卻是截然不同的兩套體系。主要體現(xiàn)在：

1）美標(biāo)種類多。各種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范多達(dá)5 萬種以上，其中，由私營機(jī)構(gòu)、學(xué)會等制定的達(dá)4 萬種以上。

2）私營機(jī)構(gòu)主導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定和推廣。聯(lián)邦政府僅負(fù)責(zé)制定一些強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，涉及交通、食藥品、環(huán)保及制造業(yè)。

3）不同于國標(biāo)，美標(biāo)在新的版本實(shí)行后，舊版本并不廢除。項(xiàng)目中具體采用標(biāo)準(zhǔn)版本應(yīng)與業(yè)主ITB（招標(biāo)邀請書）中規(guī)定版本一致。

基于美標(biāo)的幾個(gè)特點(diǎn)，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)由于不同機(jī)構(gòu)制定，所以各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之間要求不一致。設(shè)計(jì)人應(yīng)充分熟悉ITB 規(guī)定，如對ITB 有異議或補(bǔ)充，應(yīng)與業(yè)主及時(shí)溝通與聯(lián)系。

2 荷載計(jì)算

2.1 豎向荷載

美標(biāo)對恒載及活載的定義和范圍與國標(biāo)一致。但國標(biāo)、美標(biāo)兩者具體取值亦有不同。根據(jù)文獻(xiàn)【1】規(guī)定，對換熱器及臥式容器基礎(chǔ)計(jì)算中，在設(shè)備空重或操作工況下，需考慮管道附加荷載，且需計(jì)入偏心荷載的影響：

1）對換熱器直徑≤610mm 的設(shè)備，需計(jì)入20%的設(shè)備空重或操作荷載；

2）對換熱器直徑＞610mm 的設(shè)備，需計(jì)入10%的設(shè)備空重或操作荷載；

3）對臥式容器應(yīng)計(jì)入10%的設(shè)備空重、操作荷載或充水試壓荷載；

4）偏心距離為（D/2+450）mm，D 為設(shè)備外徑（含保護(hù)層厚度）；

5）對組合式換熱器，附加荷載僅考慮較大重量的換熱器罐體荷載。

豎向荷載向支墩傳遞時(shí)，管箱端的荷載應(yīng)為總重的60%，而盲端的荷載應(yīng)為總重的40%。

2.2 水平荷載

2.2.1 風(fēng)荷載計(jì)算

依據(jù)文獻(xiàn)【2，3】，高度 z 處速度壓力由式（1）計(jì)算：

式中，Kz為速度壓力暴露系數(shù)；Kzt為地貌系數(shù)；Kd為風(fēng)向作用系數(shù)；V 為基本風(fēng)速，m/s；I 為結(jié)構(gòu)重要系數(shù)。

則風(fēng)荷載值見式（2）：

式中，G 為陣風(fēng)系數(shù)；Gf為壓力系數(shù)；Af為迎風(fēng)面構(gòu)件實(shí)際擋風(fēng)面積，m2。

由此計(jì)算出X、Y 2 個(gè)方向的風(fēng)荷載。

2.2.2 地震荷載計(jì)算

依據(jù)文獻(xiàn)【4】，地震荷載計(jì)算見式（3）：

式中，R 為結(jié)構(gòu)計(jì)算系數(shù)；Ca為地震系數(shù)；I1為地震重要性因子；W 為計(jì)算重量，kN。

2.2.3 抽芯荷載計(jì)算

依據(jù)文獻(xiàn)【5】規(guī)定，抽芯力應(yīng)為1.0 倍的管束重量。且當(dāng)設(shè)備空重≥9.0kN 時(shí)，抽芯力≥9.0kN；當(dāng)設(shè)備空重＜9.0kN 時(shí)，抽芯力≥設(shè)備空重。

2.2.4 溫度荷載及摩擦力計(jì)算

由文獻(xiàn)【1】可知，摩擦力計(jì)算見式（4）：

式中，μ 為滑動(dòng)端的摩擦系數(shù)；P0為滑動(dòng)端的豎向荷載，N。

支墩溫度荷載計(jì)算公式見式（5）：

式中，Δ 為總膨脹距離，mm；E 為截面彈性模量，N/mm2；Ia為截面慣性矩，mm4；H 為支墩高度，m。

溫度荷載與摩擦力取二者較小值。

2.2.5 水平荷載分配

根據(jù)文獻(xiàn)【5】：抽芯力作用在滑動(dòng)端的力為摩擦力與一半抽芯荷載的較小值，其余抽芯荷載由固定端承擔(dān)。

文獻(xiàn)【1】規(guī)定：當(dāng)滑動(dòng)端的摩擦系數(shù)＞0.2 時(shí)，固定端的計(jì)算荷載取70%的地震力，滑動(dòng)端的計(jì)算荷載取50%的地震力；當(dāng)滑動(dòng)端的摩擦系數(shù)≤0.2 時(shí)，固定端的計(jì)算荷載取100%的地震力，滑動(dòng)端的計(jì)算荷載取30%的地震力。

3 荷載組合

和國標(biāo)不同，美標(biāo)每種工況不是單一的一種荷載組合，且荷載分配系數(shù)每種組合也有一定變化。這無疑為手算提高了難度，使得手算大量的設(shè)備基礎(chǔ)變得難以實(shí)現(xiàn)，故編制Excel計(jì)算表格變得格外重要。

4 受力構(gòu)件計(jì)算

換熱器與臥式容器基礎(chǔ)計(jì)算其美標(biāo)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型與國標(biāo)一致，此處不再贅述。

4.1 受彎構(gòu)件計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)【6】，其計(jì)算公式見式（6）～式（8）：

式中，Mu為設(shè)計(jì)彎矩，kN·m；φ 為受彎構(gòu)件材料強(qiáng)度降低系數(shù)；Mn為材料抗彎承載力，kN·m；b 為受彎構(gòu)件截面寬度，mm；d 為受彎構(gòu)件截面有效計(jì)算高度，mm；Kn為彎矩計(jì)算系數(shù)；ρ 為受拉鋼筋配筋率，ρ=As/bd，As為受拉鋼筋截面積，mm2；′為混凝土抗壓強(qiáng)度，N/mm2；fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度，N/mm2。

由此求出受拉鋼筋截面積。

4.2 抗剪構(gòu)件計(jì)算

換熱器基礎(chǔ)支墩所受豎向荷載相對較小，對抗剪計(jì)算有利。故換熱器支墩在抗剪計(jì)算時(shí)，忽略其受到的設(shè)備豎向壓力，與底板均看作純剪構(gòu)件。

根據(jù)文獻(xiàn)【7】，其計(jì)算公式見式（9）～式（12）：

式中，Vu為設(shè)計(jì)剪力，kN；φ1為受剪構(gòu)件材料強(qiáng)度降低系數(shù)；Vn為材料抗剪承載力，kN；Vc為混凝土抗剪承載力，kN；Vs為箍筋抗剪承載力，kN；AV為箍筋截面面積，mm2；s 為箍筋間距，mm；fyt為箍筋抗拉強(qiáng)度，N/mm2。

由此求出箍筋的截面面積。

5 構(gòu)造規(guī)定

根據(jù)文獻(xiàn)【8】規(guī)定，換熱器支墩豎向鋼筋最小配筋率應(yīng)不小于0.5%的支墩總截面面積。

依據(jù)文獻(xiàn)【1】，換熱器支墩最小厚度應(yīng)為250mm 或10%的支墩高度。換熱器支墩豎向鋼筋最小直徑應(yīng)取16mm，豎向鋼筋最大間距為200mm；換熱器支墩箍筋最小直徑應(yīng)取12mm，箍筋最大間距為200mm，且支墩頂部150mm 間距內(nèi)應(yīng)至少布置2 根箍筋，高烈度地區(qū)布置3 根。

6 結(jié)語

本文根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)工作，通過介紹相關(guān)美標(biāo)規(guī)范及條文，從荷載取值與計(jì)算、荷載組合、受彎及受剪構(gòu)件的計(jì)算等環(huán)節(jié)，詳盡地描述了換熱器及臥式容器基礎(chǔ)的美標(biāo)設(shè)計(jì)、計(jì)算要求。

在后續(xù)工程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1）換熱器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)緊扣ITB 規(guī)定，ITB 如有不妥或遺漏，應(yīng)及時(shí)發(fā)業(yè)主澄清或由業(yè)主確認(rèn)增補(bǔ)。

2）本文計(jì)算過程中各系數(shù)應(yīng)按實(shí)際項(xiàng)目參數(shù)取值或查詢。

3）設(shè)備基礎(chǔ)圖應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目ITB 要求修改。

4）在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，因安裝專業(yè)要求，部分設(shè)備基礎(chǔ)支墩距地面較高，或因設(shè)備荷載較大，致使部分支墩截面超筋，即此時(shí)ITB 要求的支墩寬度無法滿足設(shè)計(jì)需要。此時(shí)應(yīng)及時(shí)與業(yè)主溝通，并與相關(guān)專業(yè)核對，增加支墩寬度或增設(shè)支墩連系梁后是否影響管口連接或操作。