周小歆
中海油石化工程有限公司 濟(jì)南 250010
在LNG領(lǐng)域中,ORV(開(kāi)架式氣化器)利用海水溫度使液態(tài)LNG氣化,因其運(yùn)行成本低、環(huán)保、安全等優(yōu)點(diǎn),是一種常用的氣化器類型,也是LNG制造中的重要設(shè)備之一。ORV需要支撐在混凝土基礎(chǔ)上,因此,需要結(jié)構(gòu)專業(yè)針對(duì)ORV的特點(diǎn)進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
ORV設(shè)備一般由特定廠商設(shè)計(jì),其內(nèi)部管線復(fù)雜,預(yù)埋件預(yù)留孔多,平臺(tái)樓梯的設(shè)計(jì)較復(fù)雜;另外,對(duì)ORV支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算、設(shè)計(jì)分析、繪制設(shè)計(jì)圖等參考依據(jù)也少。本文以某LNG項(xiàng)目中的ORV支撐結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行分析探討,希望對(duì)設(shè)計(jì)人員有一定參考意義。
結(jié)構(gòu)專業(yè)進(jìn)行ORV支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)一般是廠商條件和管道專業(yè)條件。本文以某廠商的條件圖為例進(jìn)行分析設(shè)計(jì),條件圖見(jiàn)圖1~圖6、荷載見(jiàn)表1。
圖1 條件圖(平面圖)
圖2 條件圖(立面圖)
圖3 條件圖(側(cè)視圖)
圖4 條件圖(A-A)
圖5 條件圖(B-B)
圖6 條件圖(C-C)
表1 單根預(yù)埋螺栓位置點(diǎn)受力表
結(jié)構(gòu)分析常見(jiàn)的構(gòu)件有板、梁、柱和墻,不同類型構(gòu)件受力特點(diǎn)不同,從而簡(jiǎn)化的計(jì)算模型也不同。從廠家條件圖里可提取的構(gòu)件信息見(jiàn)表2。
表2 構(gòu)件信息匯總表
(1)方案一:框架剪力墻結(jié)構(gòu)
根據(jù)表1提取的構(gòu)件信息,直觀上很容易將此結(jié)構(gòu)判斷為框架剪力墻結(jié)構(gòu),總高度8.486m,按照梁的布置確定分層情況,整體計(jì)算中可忽略樓梯影響。
根據(jù)上述假定,建立模型進(jìn)行試算,計(jì)算模型見(jiàn)圖7,經(jīng)試算后計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8。
圖7 方案一計(jì)算模型
圖8 超筋超限信息
由圖8可以看出,超限的均為剪力墻,因?yàn)榘?00mm厚的墻作為抗震剪力墻,由于平面內(nèi)剛度比柱的剛度大很多,承擔(dān)很大部分的地震剪力,在水平地震剪力作用下單片剪力墻底部承擔(dān)的水平剪力>結(jié)構(gòu)底部總剪力的30%,框架部分和剪力墻部分受力不合理[1]。
此外,此結(jié)構(gòu)的兩面墻體并非全高設(shè)置,抗震性能非常不好。如果繼續(xù)采用框架抗震墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析,必須對(duì)框架部分和墻體部分的尺寸進(jìn)行修改,與廠商推薦尺寸差別較大,對(duì)內(nèi)部管線和構(gòu)件布置影響較大。
鑒于總高度比較矮,抗震墻分布并非普通結(jié)構(gòu)中的全高分布,框架部分縱向無(wú)約束,抗震墻作為整個(gè)結(jié)構(gòu)的縱向聯(lián)系構(gòu)件,只需考慮在縱向分擔(dān)的地震力即可。從構(gòu)造上可以將框架部分增大配筋系數(shù),抗震墻的配筋適當(dāng)減少,保證地震工況下框架部分有足夠的剛度抵抗水平剪力。
(2)方案二:框架結(jié)構(gòu)
根據(jù)方案一存在的問(wèn)題,對(duì)墻體進(jìn)行分析:首先墻體厚度較小,地震工況下受力大,不滿足截面要求;其次,墻體分布不均勻,其中兩側(cè)墻體不是全高設(shè)置,且有一面墻體非常矮,高度小于1.2m,另一面墻體開(kāi)洞較多,均為抗震不利條件;第三,墻體從受力角度來(lái)講,僅起到維護(hù)功能,不承擔(dān)管線荷載和操作荷載。綜上因素,有充分理由可忽略四面墻體的作用,僅考慮柱和梁的剛度,將此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為框架結(jié)構(gòu)。
根據(jù)上述分析結(jié)論,建立方案二的模型并計(jì)算分析,計(jì)算模型見(jiàn)圖9、計(jì)算指標(biāo)匯總見(jiàn)圖10。
圖9 方案二計(jì)算模型
圖10 方案二計(jì)算指標(biāo)匯總
從圖10中看出,計(jì)算指標(biāo)均符合規(guī)范要求,因此,對(duì)ORV支撐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析是合理的。
同時(shí)要注意,簡(jiǎn)化為框架結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí),每榀框架的橫向均為梁柱剛接框架,但是縱向沒(méi)有形成梁柱框架,受力更接近于平面二維結(jié)構(gòu),鑒于本項(xiàng)目計(jì)算后X、Y向位移指標(biāo)都符合規(guī)范要求,可不再考慮裝置內(nèi)部構(gòu)件剛度的影響。實(shí)際上,在結(jié)構(gòu)頂部,有吊掛LNG管道的鋼梁,這樣整個(gè)結(jié)構(gòu)實(shí)際是雙向梁柱抗側(cè)力的,此鋼梁的作用會(huì)使整個(gè)結(jié)構(gòu)實(shí)際縱向位移小于計(jì)算值,對(duì)工程設(shè)計(jì)是有利的。
方案二的假定前提是混凝土墻不參與整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力分析,設(shè)計(jì)中需要采取措施,減弱混凝土墻剛度對(duì)框架剛度的影響,節(jié)點(diǎn)做法見(jiàn)圖11,同時(shí)對(duì)框架結(jié)構(gòu)的剛度進(jìn)行折減,折減系數(shù)可取0.8。
圖11 柱墻節(jié)點(diǎn)
方案一和方案二各有優(yōu)缺點(diǎn),設(shè)計(jì)中可根據(jù)具體情況選擇其一計(jì)算,也可以兩者包絡(luò)設(shè)計(jì),保證安全可靠。
ORV氣化器是LNG接收站的重要設(shè)備之一,其支撐結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為一級(jí),重要性系數(shù)為1.1,抗震等級(jí)要提高一級(jí)。
ORV支撐結(jié)構(gòu)的框架柱尺寸較大,縱筋間距大,要保證箍筋肢距滿足規(guī)范要求:抗震一級(jí)不宜大于200mm,二、三級(jí)不宜大于250mm??紤]到此結(jié)構(gòu)層分布不規(guī)則,管道荷載較大,框架縱向剛度弱,柱的箍筋應(yīng)全高加密,箍筋構(gòu)造要滿足規(guī)范GB50011[2]中表6.3.7-2要求。
整個(gè)ORV支撐結(jié)構(gòu)根據(jù)梁的布置可分成多層考慮,最重要的結(jié)構(gòu)層是支撐較大管道荷載的結(jié)構(gòu)層,支撐海水管荷載的位置位于裝置外部[3],需要做懸挑梁作為支撐,懸挑梁本身就屬于靜定結(jié)構(gòu),沒(méi)有多余的贅余度,對(duì)此部分的設(shè)計(jì)必須引起重視。本工程針對(duì)管道支撐條件,對(duì)管道支撐處設(shè)置為懸挑梁上起柱形式,對(duì)懸挑梁加大尺寸,箍筋加密加箍,箍筋間距≤100mm,詳細(xì)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖12。
圖12 支撐管道層結(jié)構(gòu)圖
頂部框架梁頂通過(guò)螺栓固定H型鋼梁,此鋼梁用于固定懸吊裝置(懸掛LNG管線),橫梁承受的荷載包括設(shè)備荷載和流體荷載,每個(gè)螺栓受力點(diǎn)承受的設(shè)計(jì)荷載約15t,中間橫梁螺栓受力點(diǎn)最多,共有8個(gè)。因此頂部框架梁尺寸一般較大,考慮到框架梁的受荷情況,箍筋應(yīng)全長(zhǎng)加密。螺栓定位要準(zhǔn)確,施工前設(shè)計(jì)圖應(yīng)與廠商安裝圖核對(duì)無(wú)誤后再預(yù)埋施工。
樓梯部分要根據(jù)廠商要求的使用功能進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。樓梯位于裝置外側(cè),大部分需要懸挑梁或懸挑板滿足剛度要求,且這部分要考慮舒適方便的要求。
(1)建筑要求
根據(jù)規(guī)范GB50016中6.4.5條要求,室外疏散樓梯傾斜角度不應(yīng)大于45°,欄桿扶手的高度不應(yīng)小于1.1m,樓梯凈寬不應(yīng)小于0.9m。根據(jù)規(guī)范GB50352[4]中6.8條要求,樓梯凈寬應(yīng)為兩側(cè)扶手中心線的距離或扶手中心線與一側(cè)建筑外表面的距離。樓梯平臺(tái)凈高不應(yīng)小于2.0m,梯段處凈高不應(yīng)小于2.2m。踏步寬度按250mm設(shè)計(jì),大小可做稍微調(diào)整。
(2)結(jié)構(gòu)要求
梯梁宜兩端支撐,當(dāng)不滿足兩端支撐時(shí),梯梁優(yōu)先從框架柱上懸挑;當(dāng)為滿足樓梯踏步尺寸和傾斜角度而不能直接從框架柱上懸挑時(shí),應(yīng)在梯梁支點(diǎn)處設(shè)暗柱(梯柱),不得直接從混凝土墻處或框架梁處懸挑,防止墻、梁平面外被破壞。樓梯平臺(tái)可懸挑或多邊支撐,滿足凈空要求。
樓梯宜采用板式樓梯,樓梯形式可參考圖集16G101-2和15G307。
LNG被ORV氣化器中的高溫海水氣化,被吸走熱量的海水要從地面排到海水渠[5],整個(gè)裝置內(nèi)室內(nèi)地面標(biāo)高到設(shè)計(jì)水位線常年受海水沖刷。在此種環(huán)境下,一般構(gòu)造的地面達(dá)不到設(shè)計(jì)使用年限,需要結(jié)構(gòu)直接在地面就開(kāi)始做基礎(chǔ)。通常做法是整個(gè)裝置下做筏板基礎(chǔ),基礎(chǔ)頂標(biāo)高即地面標(biāo)高,并用細(xì)石混凝土或水泥砂漿找坡,坡度一般0.3%,方便海水流出。根據(jù)地勘報(bào)告土質(zhì)情況確定筏板是做天然地基還是樁基處理。關(guān)于基礎(chǔ)的計(jì)算與其他結(jié)構(gòu)相同,本文不再贅述。
ORV氣化器支撐結(jié)構(gòu)的預(yù)埋件預(yù)留洞較多,結(jié)構(gòu)專業(yè)應(yīng)根據(jù)條件進(jìn)行預(yù)留預(yù)埋,預(yù)埋件要注明標(biāo)高(注意二次灌漿層厚度)和定位,預(yù)埋件中心與基礎(chǔ)應(yīng)滿足4d(螺栓直徑)和150mm的較大值,不滿足時(shí)應(yīng)跟廠商溝通更改尺寸,避免與其他管道或構(gòu)件碰撞。
本文對(duì)LNG項(xiàng)目中的ORV支撐結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)進(jìn)行論述,確定了結(jié)構(gòu)類型和計(jì)算模型,并介紹了該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的框架柱、結(jié)構(gòu)層、樓梯、預(yù)埋件預(yù)留洞的規(guī)范要求和注意事項(xiàng),同時(shí)附上其實(shí)際項(xiàng)目的做法供參考,補(bǔ)充完善了該特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和規(guī)定。該項(xiàng)目施工后運(yùn)行良好,其對(duì)ORV支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究方法和規(guī)定為后續(xù)設(shè)計(jì)人員提供了參考。