溶出套管鋼結(jié)構(gòu)支架設計方法研究

孫曉明

【摘要】隨著我國氧化鋁工藝生產(chǎn)技術的進步，溶出技術已發(fā)生了巨大變化，尤其是在大型管道化溶出技術的應用上，使得溶出過程的技術經(jīng)濟指標得到了顯著提高和改善。在此背景下，套管鋼結(jié)構(gòu)支架作為管道化溶出的結(jié)構(gòu)支撐體系，在氧化鋁廠中正被廣泛應用。本文主要通過對溶出套管鋼結(jié)構(gòu)支架的結(jié)構(gòu)組成分析、設計原則確定等方面的論述，提出了氧化鋁廠中的溶出套管鋼結(jié)構(gòu)支架的設計方法，希望能為結(jié)構(gòu)設計者提供設計參考。

【關鍵詞】氧化鋁;溶出套管;鋼結(jié)構(gòu)支架;設計方法;特種結(jié)構(gòu)

溶出套管鋼結(jié)構(gòu)支架是氧化鋁廠中重要的建筑結(jié)構(gòu)，不僅在新建氧化鋁廠中被廣泛應用，在老舊氧化鋁廠的改擴建中也成為首選方案。作為一種特殊的結(jié)構(gòu)，其設計方法在現(xiàn)行標準、技術規(guī)程或規(guī)范中都很少介紹，缺少一個系統(tǒng)的設計方法。作為結(jié)構(gòu)設計者，將其歸為何種結(jié)構(gòu)形式進行分析，如何把握其設計原則，怎樣進行荷載計算等一系列過程，均需要從頭到尾認真尋求和衡量。

1、溶出套管鋼結(jié)構(gòu)支架設計現(xiàn)狀介紹

在目前溶出套管鋼結(jié)構(gòu)支架的設計過程中，設計者只能依照自己的工作經(jīng)驗，結(jié)合以往施工圖紙，參考相關規(guī)范進行設計。然而，在對規(guī)范理解及實際應用上往往會出現(xiàn)不同意見，其設計結(jié)果會直接影響到結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和安全。對于經(jīng)驗不足的設計者往往會出現(xiàn)如下設計問題：

（1）對其結(jié)構(gòu)組成不明確，盲目將其結(jié)構(gòu)形式歸為鋼框架結(jié)構(gòu)進行計算，甚者為了滿足變形要求，一味增加水平及豎向支撐，造成材料浪費。

（2）對其受力特點不清晰，沒有遵照設計原則，任意增大荷載，放大系數(shù)，造成梁柱截面偏大，基礎面積變大，使建設成本增加。

（3）對其荷載計算不清楚，荷載輸入時丟失荷載，造成構(gòu)件截面大小不足，節(jié)點設計強度不夠，存在安全隱患，甚至影響企業(yè)生產(chǎn)。

為了避免以上設計問題的出現(xiàn)，使設計者少走彎路，本文通過詳細分析溶出套管鋼結(jié)構(gòu)支架的結(jié)構(gòu)組成，重點闡述其結(jié)構(gòu)組成、設計原則，為設計者提供了一個完整的設計方法，希望能為設計者提供幫助。

2、溶出套管鋼結(jié)構(gòu)支架設計方法

2.1結(jié)構(gòu)組成分析

溶出套管鋼結(jié)構(gòu)支架主要承擔套管產(chǎn)生的多種作用力，首先就要了解套管與普通管網(wǎng)中管道的區(qū)別。套管區(qū)別于普通管網(wǎng)中的管道其特征表現(xiàn)是：

（1）套管由一根大直徑外管內(nèi)穿三根小直徑內(nèi)管組成，為內(nèi)外管共同作用，管道自重大;

（2）套管的內(nèi)外管中介質(zhì)不同，內(nèi)管為礦漿，外管為蒸汽，溫度逐級升高，水平推力大;

（3）套管的長度一定，只在中間固定，排列均勻，且每層套管在縱向有一定坡度。

溶出套管鋼結(jié)構(gòu)支架結(jié)構(gòu)體系由管座、支架橫梁、支架柱、縱向系桿和支撐系統(tǒng)組成，橫向一般為多層多跨框架，縱向為系桿鏈接的多層排架，固定支架設在管道的中部，活動支架在固定支架兩側(cè)均勻排列。支架縱向柱距一般為8m，橫向跨度需根據(jù)工藝布置的套管根數(shù)確定，常見為4～6m，支架層高一般為2～2.2m，兩端設置的檢修平臺及樓梯的結(jié)構(gòu)形式為鋼框架結(jié)構(gòu)。一般情況無圍護結(jié)構(gòu)，僅在極寒地區(qū)有設置圍護結(jié)構(gòu)的。

2.2設計原則確定

2.2.1共同作用原則

溶出套管鋼結(jié)構(gòu)支架作為套管的受力支承結(jié)構(gòu)，而在一定程度上套管也支承著支架，兩者之間形成了一個空間體系而共同作用。因此其計算不僅要進行二維平面計算，還要進行三維空間建模計算。

2.2.2牽制作用原則

當支架上敷設多根管道時，在任一瞬間有溫度動作的管道力圖推動支架位移，而無溫度動作的管道，非但不推動支架位移，反而起著阻止支架位移的作用。各管道之間由于不同時工作，對支架的受力和位移就會產(chǎn)生牽制作用。牽制作用的大小與管道在支架上的布置方式有關，支架上管道根數(shù)越多，牽制作用越大;介質(zhì)溫度高低和質(zhì)量大小的管道排列越對稱、越均衡，牽制作用越大;高溫管道偏設一側(cè)時，牽制作用小;管道同時起動時，牽制作用小。套管在支架上對稱均勻的布置方式就是為了盡可能有較大的牽制效果，以減少支架承受的縱向水平推力。常見套管層數(shù)均在6～8層，每級支架橫梁上布置2～4根套管，且套管質(zhì)量相同，排列均衡，因此套管對整個鋼支架起的牽制作用是有利的。

2.2.3活動及固定支架設計原則

活動支架：縱向為管道的可移動支點，橫向為管道的不移動支點。支架承受的水平推力為管道滑動摩擦力，管道采用滑動管座敷設在支架橫梁上?；顒庸芗馨磫纹矫嬷Ъ苓M行內(nèi)力分析，梁柱為剛接，柱與基礎為固接。對于支架平面內(nèi)可按平面多層多跨框架進行內(nèi)力分析，對于支架柱平面外按上端自由、下端固定的受彎構(gòu)件計算，對于支架梁計算水平推力作用下的平面外彎矩時，按兩端簡支計算，平面外扭矩時，按兩端固定計算。

固定支架：縱向及橫向均為管道的不可移動支點。支架具有足夠剛度，保證管道系統(tǒng)的穩(wěn)定，支架承受的水平推力，由工藝專業(yè)提供。支架上管道一般均采用固定管座敷設在支架橫梁上。套管固定支架形式一般為“A”字架支撐結(jié)構(gòu)和柱間中心支撐結(jié)構(gòu)。

兩種固定形式均增加了固定支架的剛度，將固定支架處的水平推力通過“A”字架支撐或柱間中心支撐直接傳到柱底，減少支架柱承受的水平力。兩種結(jié)構(gòu)形式均受力明確簡單，施工方便，在工程項目中均有應用。相比之下“A”字架支撐結(jié)構(gòu)在套管層數(shù)少、地震烈度不高的情況下更經(jīng)濟適用，而柱間中心支撐結(jié)構(gòu)在套管層數(shù)多、地震烈度較高地區(qū)更安全可靠。

2.2.4檢修平臺設計原則

套管兩端檢修平臺為鋼框架結(jié)構(gòu)，受套管豎向布置限制，每層檢修平臺層高為兩米左右，為了增加層間凈高，盡量滿足人員通行需要，設計時鋼梁截面應盡量采用截面高度小的中翼緣或?qū)捯砭塇型鋼。為了增加檢修通道寬度，端部均設置了約2米寬的懸挑平臺。該懸挑平臺的支撐體系設計同樣需要注意滿足人員通行要求，打破常規(guī)的做法：僅在首層采用三角支撐，其余每層平臺為了避免斜撐阻礙通行，則通過設立短柱支撐上一層懸挑梁的方法進行解決。

結(jié)語：

本文提供了溶出套管鋼結(jié)構(gòu)支架結(jié)構(gòu)設計的一個完整設計方法和思路。溶出套管鋼結(jié)構(gòu)支架作為特種結(jié)構(gòu)，在工業(yè)建筑設計中是相對特殊的結(jié)構(gòu)形式。因此，設計人員在設計過程中重視其結(jié)構(gòu)特征和設計原則，并結(jié)合實際工程案例吸取經(jīng)驗，不斷彌補設計中的缺陷和不足，進一步實現(xiàn)工業(yè)建筑設計“技術先進、經(jīng)濟合理、設計快速和安全適用”的目標要求。

參考文獻：

[1]GB50191-2012.構(gòu)筑物抗震設計規(guī)范[M].北京：中國計劃出版社出版，2012.

[2]中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.SH/T3055-2007.中華人民共和國石油化工行業(yè)標準.石油化工管架設計規(guī)范.

[3]曲昭嘉.簡明管道支架計算機構(gòu)造手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.8.