化工裝置鋼框架設(shè)計(jì)中需注意的若干問(wèn)題

化工裝置鋼框架設(shè)計(jì)中需注意的若干問(wèn)題[摘要]本文結(jié)合筆者的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，從結(jié)構(gòu)方案、結(jié)構(gòu)計(jì)算、構(gòu)件計(jì)算、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)防火等方面對(duì)化工主裝置鋼框架設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的一些問(wèn)題進(jìn)行了探討。[關(guān)鍵詞]鋼結(jié)構(gòu)，支撐，節(jié)點(diǎn)，管道支架，設(shè)備支座[abstract]thispapercombiningthedesignexperience,fromthestructurescheme,structurecalculation,componentcalculation,nodedesign,steelstructurefirepreventionofchemicalLordsteelframedesignofdevicetosomecommonproblemsarediscussed.[keywords]steelstructure,support,thenode,pipesupport,supportequipment一、 引言隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用日趨廣泛，并在國(guó)民建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域，扮演著越來(lái)越重要的角色。鋼結(jié)構(gòu)因其整體剛度和抗震性能好、施工速度快、自重輕、承載力高等優(yōu)點(diǎn)被越來(lái)越多的建設(shè)工程所采用?，F(xiàn)在就化工主裝置鋼框架廠房在設(shè)計(jì)中的幾個(gè)要點(diǎn)作簡(jiǎn)單闡述。二、 結(jié)構(gòu)方案多層框架的基本結(jié)構(gòu)體系一般可分為柱-支撐體系、純框架體系和框架-支撐體系。化工裝置鋼框架常采用框架-支撐體系，即一個(gè)方向（多為縱向）為梁柱鉸接并帶豎向柱間支撐的柱-支撐體系，另一方向（多為橫向）為梁柱剛接的純框架體系的混合體系。這種結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)是用鋼量較低而剛度大，在設(shè)有支撐的一個(gè)方向抗側(cè)力效果明顯。由于化工裝置內(nèi)設(shè)備較多，管道布置比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)者在布置柱間支撐時(shí)，必須與諸如管道、工藝安全、設(shè)備等其他專(zhuān)業(yè)的工程師進(jìn)行溝通，以保證支撐的位置和形式既不影響人員、設(shè)備和叉車(chē)的出入，又能滿足整體結(jié)構(gòu)計(jì)算的安全。當(dāng)柱距較大無(wú)法設(shè)置柱間支撐或?yàn)榱俗非筝^大的操作空間時(shí)，設(shè)計(jì)者也可以采用純框架體系，此時(shí)建議柱腳為剛接，這樣可以減小柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，提高穩(wěn)定性，降低用鋼量。在抗震地區(qū)，尤其是設(shè)防烈度在8度以上時(shí)，設(shè)計(jì)者應(yīng)首選縱向和橫向均帶有柱間支撐的梁柱剛接的框架，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)體系具有良好的抗震特性和較大的側(cè)向剛度，支撐結(jié)構(gòu)可起到剪力墻的作

用，承擔(dān)大部分水平側(cè)力，從而形成雙重抗側(cè)力體系。此外，鋼框架還應(yīng)遵守強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎和強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)基本原則。在考慮結(jié)構(gòu)布局時(shí)，設(shè)計(jì)者應(yīng)強(qiáng)調(diào)“概念設(shè)計(jì)”，特別是對(duì)一些難以精確理性分析或規(guī)范未規(guī)定的問(wèn)題，可以依據(jù)整體結(jié)構(gòu)體系、傳力途徑、破壞機(jī)理、震害和工程經(jīng)驗(yàn)等，從全局的角度來(lái)確定“控制結(jié)構(gòu)”的布置及細(xì)部措施；在進(jìn)行平面布置時(shí)，應(yīng)考慮柱網(wǎng)及梁系的合理性、縱向及橫向剛度的均勻可靠，并力求構(gòu)件傳力明確；在進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)的豎向布置時(shí)，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)特征，分析薄弱層可能出現(xiàn)的位置，采用分段變截面(柱及支撐)的作法，但應(yīng)同時(shí)防止樓層間側(cè)向剛度的突然變化。其中，針對(duì)化工裝置內(nèi)的樓板多為鋼格柵板這一特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮增設(shè)水平支撐。構(gòu)件之間通過(guò)水平支撐的連接，可以較好地傳遞整個(gè)樓層橫向和縱向兩個(gè)方向的水平力，使整個(gè)樓面協(xié)同作用，并與框架結(jié)構(gòu)共同工作。下面兩組列表，是筆者設(shè)計(jì)的某化工項(xiàng)目主裝置鋼框架廠房在使用STS軟件計(jì)算后，結(jié)構(gòu)周期、地震力與振型的輸出結(jié)果。表-1和表-2分別是進(jìn)行樓面水平撐優(yōu)化前后的計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯觯ㄟ^(guò)水平撐的合理布置，只需計(jì)算較少的振型個(gè)數(shù)，就有90%以上的有效質(zhì)量參與了地震力的計(jì)算。另外，在支撐設(shè)備的鋼梁側(cè)面增設(shè)水平撐，還能將設(shè)備產(chǎn)生的水平力直接傳至框架梁或框架柱，減小了支撐設(shè)備的鋼梁的平面外彎矩，所以怎樣布置水平支撐以使結(jié)構(gòu)整體更為合理，應(yīng)是值得設(shè)計(jì)者關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。表-1振型號(hào)周期轉(zhuǎn)角平動(dòng)系數(shù)(X+Y)扭轉(zhuǎn)系數(shù)TOC\o"1-5"\h\z1.0681 90.51 0.89(0.00+0.89) 0.110.8574 88.72 0.22(0.03+0.19) 0.780.6631 162.08 0.73(0.60+0.13) 0.27540.241881.05540.241881.050.12(0.04+0.08)0.88X方向的有效質(zhì)量系數(shù):86.96%Y方向的有效質(zhì)量系數(shù):95.10%表-2振型號(hào)周期轉(zhuǎn)角平動(dòng)系數(shù)(X+Y) 扭轉(zhuǎn)系數(shù)1.052490.560.87(0.00+0.87)0.13TOC\o"1-5"\h\z0.7269 88.31 0.37(0.03+0.34) 0.630.6040 167.88 0.84(0.73+0.10) 0.16??? ?????? ??????30 0.1849 95.04 0.11(0.01+0.11 0.89X方向的有效質(zhì)量系數(shù):96.84%Y方向的有效質(zhì)量系數(shù):99.57%三、結(jié)構(gòu)計(jì)算在確定結(jié)構(gòu)方案及大致的結(jié)構(gòu)布置后，就需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。一般地，化工裝置廠房多為帶有內(nèi)管廊和較多管道支架的多層或有錯(cuò)層的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)者在建模前要對(duì)結(jié)構(gòu)模型做一定的簡(jiǎn)化，去除一些次要結(jié)構(gòu)如置于樓面上的小操作平臺(tái)，管道支架，設(shè)備基礎(chǔ)等，通過(guò)分析它們與主要支撐構(gòu)件間的連接方式、受力特點(diǎn)，以外加荷載的形式出現(xiàn)在模型中，然后運(yùn)行程序做詳細(xì)的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。設(shè)計(jì)者在做具體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析時(shí)，可以從整體結(jié)構(gòu)計(jì)算、構(gòu)件計(jì)算、節(jié)點(diǎn)計(jì)算等不同層面加以考慮。整體結(jié)構(gòu)計(jì)算整體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，包括結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性、周期、地震力和結(jié)構(gòu)的位移等。通過(guò)結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析，可大致估計(jì)框架梁，框架柱，柱間支撐等主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的大小，并通過(guò)不同計(jì)算模型的比較以確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案。由于化工鋼框架往往是帶有錯(cuò)層的，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)結(jié)構(gòu)薄弱層，甚至第一振型出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，這時(shí)設(shè)計(jì)者可考慮通過(guò)支撐調(diào)整而使整個(gè)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征達(dá)到合理的正常狀態(tài)。同時(shí)設(shè)計(jì)者應(yīng)注意的是，根據(jù)化工荷載規(guī)范，與地震力組合計(jì)算輸入的設(shè)備荷載均應(yīng)是設(shè)備的操作荷載，樓面活荷載也是正常操作時(shí)發(fā)生的荷載，并且當(dāng)樓面活荷載按實(shí)際情況計(jì)算時(shí)，其活載的重力荷載代表值組合系數(shù)應(yīng)取1.0，否則為0.5。此外，雖然該廠房一般是無(wú)封閉或部分封閉的，風(fēng)荷載體型系數(shù)可適當(dāng)折減，但因樓面上有較多的設(shè)備及管道，考慮到它們的遮擋作用，在整體計(jì)算時(shí)，風(fēng)荷載體型系數(shù)建議仍取為1.3。構(gòu)件計(jì)算鋼構(gòu)件的計(jì)算包括構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算，構(gòu)件整體和局部穩(wěn)定計(jì)算，受彎構(gòu)件的撓度驗(yàn)算等。構(gòu)件設(shè)計(jì)需注意控制構(gòu)件板件的寬厚比，控制受壓構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比和受彎構(gòu)件側(cè)向支撐點(diǎn)間的長(zhǎng)細(xì)比。由于無(wú)論是框架梁還是樓面鋼梁一般常用H型鋼或槽鋼，它們?cè)谄矫嫱獾膭偠容^平面內(nèi)要弱很多，水平支撐作為梁的側(cè)向支撐，可以減小梁受壓翼緣的自由長(zhǎng)度，提高粱的整體穩(wěn)定。因此設(shè)計(jì)者應(yīng)在支撐設(shè)備的鋼梁側(cè)面增設(shè)水平撐，減小梁的尺寸，使構(gòu)件設(shè)計(jì)更經(jīng)濟(jì)合理。豎向柱間支撐是多層框架的主要抗側(cè)力構(gòu)件，其桿件內(nèi)力可按所在層間的剪力進(jìn)行計(jì)算，而且按內(nèi)力設(shè)計(jì)支撐時(shí)，支撐端部的連接承載力宜考慮10%-15%的余量。設(shè)計(jì)者還應(yīng)計(jì)算各種工況下構(gòu)件的承載能力，并通過(guò)一定量的工程設(shè)計(jì)的積累對(duì)構(gòu)件計(jì)算結(jié)果主要受哪些工況控制有一個(gè)預(yù)判。例如，設(shè)備梁的大小一般是由試水工況或最大設(shè)備荷載決定的；普通的樓面次梁是由維修或安裝工況決定的。需要特別注意的是，如果一根鋼梁上支撐多個(gè)容器，則計(jì)算充水試驗(yàn)工況時(shí)，僅考慮一臺(tái)容器處于充水試驗(yàn)狀態(tài)，其余容器處于空載或正常操作狀態(tài)。再者，化工裝置內(nèi)有不少臥式容器，它們的重心一般不與樓面在同一標(biāo)高上，此時(shí)設(shè)備上作用的水平力（如地震力，風(fēng)荷載，臥式換熱器的抽芯力等）會(huì)對(duì)鋼梁產(chǎn)生一個(gè)附加彎矩。設(shè)計(jì)者可以將這種附加彎矩轉(zhuǎn)換成一對(duì)豎向力偶分別作用到兩個(gè)鞍座處（圖一），在計(jì)算支撐鞍座的鋼梁時(shí)，考慮這對(duì)附加豎向力的作用。同樣地，一些穿樓面的容器，即使其耳座直接作用在樓面鋼梁上，但只要設(shè)備重心不在樓面標(biāo)高處，仍然需考慮地震力、風(fēng)荷載等產(chǎn)生的附加彎矩。設(shè)備對(duì)支撐構(gòu)件及其連接產(chǎn)生的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)算：，，其中為設(shè)備水平地震影響系數(shù)最大值，為設(shè)備重力荷載代表值，X為放大系數(shù)，為建筑基礎(chǔ)底至設(shè)備重心的距離，為建筑基礎(chǔ)底至建筑物頂部的距離。3.節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)注意受力明確，減少應(yīng)力集中，采用強(qiáng)連接弱構(gòu)件的原則。這里列舉的是在工程設(shè)計(jì)中有關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要注意的一些事項(xiàng)：（1）鋼柱的柱腳節(jié)點(diǎn)一根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案柱腳可分為剛接節(jié)點(diǎn)和鉸接節(jié)點(diǎn)。對(duì)于柱-支撐結(jié)構(gòu)體系，當(dāng)梁柱連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為鉸接節(jié)點(diǎn)時(shí)，其柱腳節(jié)點(diǎn)需考慮安裝時(shí)的穩(wěn)定要求而應(yīng)具有一定的剛接抗彎能力。另外，柱腳錨栓是不考慮承受柱底水平力的，此水平反力可由底板與混凝土間的摩擦力或柱底抗剪鍵承受。通過(guò)一些工程實(shí)踐，這里建議設(shè)計(jì)者采用柱底抗剪鍵來(lái)承擔(dān)水平力?？蚣芰?、柱的拼接節(jié)點(diǎn)一構(gòu)件的拼接一般采用與構(gòu)件等強(qiáng)度的設(shè)計(jì)原則。由于考慮到現(xiàn)場(chǎng)的安全和施工質(zhì)量的要求，化工裝置的鋼結(jié)構(gòu)施工宜盡量避免現(xiàn)場(chǎng)焊接，因此框架梁的現(xiàn)場(chǎng)拼接一般全部采用高強(qiáng)度螺栓等強(qiáng)連接，此時(shí)上下翼緣的螺栓數(shù)會(huì)比較多，拼接板也較長(zhǎng)，在一定程度上對(duì)管道支架的布置造成了困難，所以設(shè)計(jì)者也可以適當(dāng)?shù)夭捎靡砭壢弁钙驴诤附雍透拱甯邚?qiáng)度連接的拼接節(jié)點(diǎn)?？蚣芰骸⒅钠唇咏宇^，除應(yīng)考慮位于框架節(jié)點(diǎn)塑性區(qū)外，還應(yīng)避免設(shè)在有管道支架或設(shè)備支座的位置附近。一般柱的拼接點(diǎn)位置宜在框架梁上方1.3m附近，可每三層設(shè)置一個(gè)拼接點(diǎn)。而由于各施工單位運(yùn)輸構(gòu)件的能力不同，因此設(shè)計(jì)者應(yīng)事先了解該施工單位能運(yùn)輸?shù)目蚣苤淖畲蟪叽纾悦鈱?duì)構(gòu)件的運(yùn)輸造成困難；同時(shí)，設(shè)計(jì)者還需注意現(xiàn)場(chǎng)拼接點(diǎn)的設(shè)置能便于該樓層設(shè)備或立式容器的安裝。次梁與主梁的連接一主次梁的連接分為鉸接與剛接。樓面上的主次梁連接，以簡(jiǎn)支鉸接節(jié)點(diǎn)為主，次梁與主梁的豎向加勁板用高強(qiáng)度螺栓連接(圖二a,b)。在連接計(jì)算時(shí)，通常是忽視主梁的扭轉(zhuǎn)影響，只考慮次梁端部與主梁連接之間的剪力作用，但在計(jì)算連接螺栓或焊縫時(shí)，除了考慮作用在次梁端部的剪力外，尚應(yīng)考慮由于偏心產(chǎn)生的附加彎矩的影響。圖二a,b兩種節(jié)點(diǎn)的剪力承載力是不同的，圖b中的節(jié)點(diǎn)剪力承載力會(huì)隨著主梁翼緣寬度的增加而減小。通過(guò)計(jì)算，對(duì)于H型鋼梁的單剪連接的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)支撐它的構(gòu)件翼緣寬為300mm時(shí)，其剪力承載力一般僅為鋼梁本身剪力承載力的15%-20%。因?yàn)閳Db的這種節(jié)點(diǎn)形式便于次梁的安裝，所以在實(shí)際工程中的應(yīng)用還是較普遍的，此時(shí)作為設(shè)計(jì)者，除了計(jì)算鋼梁本身的強(qiáng)度、穩(wěn)定及撓度外，還應(yīng)仔細(xì)驗(yàn)算構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)承載力是否滿足要求。圖a節(jié)點(diǎn)承載力較圖b高，但當(dāng)次梁間距較小，跨度較長(zhǎng)時(shí)，安裝將比較困難。為了不增大鋼梁，又能在一定程度上提高節(jié)點(diǎn)的承載力，有時(shí)也可以將次梁的兩端根據(jù)受力情況分別采用a,b兩種節(jié)點(diǎn)形式。四、防火和防腐與混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)壁薄，吸熱能力強(qiáng)，導(dǎo)熱系數(shù)約為混凝土的40倍，裸露的鋼結(jié)構(gòu)耐火極限僅0.25小時(shí)，在火災(zāi)和高溫的作用下將很快失效倒塌，因此鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮鋼構(gòu)件的耐火保護(hù)。其做法一般為鋼結(jié)構(gòu)外包耐火磚、混凝土或外刷防火涂料等。其中防火涂料因質(zhì)量輕，耐火性能好，品種齊全，近年來(lái)使用廣泛。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)石油化工企業(yè)防火規(guī)范及工藝安全工程師確定的防火等級(jí)及分區(qū)，明確框架內(nèi)哪些部分的鋼構(gòu)件需作耐火保護(hù)。需要注意的是，如果某個(gè)設(shè)備有防火要求時(shí)，不僅該設(shè)備基礎(chǔ)需做耐火保護(hù)，支撐設(shè)備基礎(chǔ)的構(gòu)件及傳力途徑中涉及的梁、柱均需考慮耐火保護(hù)。另外，鋼結(jié)構(gòu)表面直接暴露在大氣中就會(huì)銹蝕。當(dāng)化工廠房空氣中有侵蝕性介質(zhì)時(shí)，鋼框架銹蝕就會(huì)更加明顯和嚴(yán)重，因此，對(duì)化工裝置鋼構(gòu)件的防銹蝕問(wèn)題應(yīng)予以足夠的重視。一般鋼結(jié)構(gòu)的防腐常采用防銹底漆，中間漆和面漆，涂裝層數(shù)及厚度可根據(jù)其使用環(huán)境和涂層性質(zhì)來(lái)決定。并注意用于構(gòu)件表面的防銹底漆及用于防火保護(hù)材料外表面的防腐面層，均應(yīng)與防火保護(hù)材料相適應(yīng)，并具有良好的結(jié)合力。五、結(jié)束語(yǔ)化工裝置鋼框架，在石化工程項(xiàng)目中是一種常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計(jì)者應(yīng)通過(guò)工程實(shí)踐，不斷積累和總結(jié)設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題，通過(guò)更合理的布置和適宜的計(jì)算方法，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既安全可靠，又經(jīng)濟(jì)合理。［參考文獻(xiàn)］汪一駿等“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)”北京：中國(guó)