化工装置钢框架设计中需注意的若干问题

摘　要：本文结合笔者的设计经验，从结构方案、结构计算、构件计算、节点设计、钢结构防火等方面对化工主装置钢框架设计中常见的一些问题进行了探讨。

关键词：钢结构 ，支撑 ，节点， 管道支架， 设备支座
随着国家经济的快速发展，钢结构在土木工程中的应用日趋广泛，并在国民建设的各个领域，扮演着越来越重要的角色。钢结构因其整体刚度和抗震性能好、施工速度快、自重轻、承载力高等优点被越来越多的建设工程所采用。现在就化工主装置钢框架厂房在设计中的几个要点作简单阐述。
　　结构方案
　　多层框架的基本结构体系一般可分为柱-支撑体系、纯框架体系和框架-支撑体系。化工装置钢框架常采用框架-支撑体系，即一个方向（多为纵向）为梁柱铰接并带竖向柱间支撑的柱-支撑体系，另一方向（多为横向）为梁柱刚接的纯框架体系的混合体系。这种结构体系的特点是用钢量较低而刚度大，在设有支撑的一个方向抗侧力效果明显。由于化工装置内设备较多，管道布置比较复杂，设计者在布置柱间支撑时，必须与诸如管道、工艺安全、设备等其他专业的工程师进行沟通，以保证支撑的位置和形式既不影响人员、设备和叉车的出入，又能满足整体结构计算的安全。当柱距较大无法设置柱间支撑或为了追求较大的操作空间时，设计者也可以采用纯框架体系，此时建议柱脚为刚接，这样可以减小柱的计算长度系数，提高稳定性，降低用钢量。在抗震地区，尤其是设防烈度在8度以上时，设计者应首选纵向和横向均带有柱间支撑的梁柱刚接的框架，因为这种结构体系具有良好的抗震特性和较大的侧向刚度，支撑结构可起到剪力墙的作用，承担大部分水平侧力，从而形成双重抗侧力体系。此外,钢框架还应遵守强柱弱梁、强剪弱弯和强节点弱构件的抗震设计基本原则。
　　在考虑结构布局时，设计者应强调“概念设计”，特别是对一些难以精确理性分析或规范未规定的问题，可以依据整体结构体系、传力途径、破坏机理、震害和工程经验等，从全局的角度来确定“控制结构”的布置及细部措施；在进行平面布置时，应考虑柱网及梁系的合理性、纵向及横向刚度的均匀可靠，并力求构件传力明确；在进行框架结构的竖向布置时，可以根据结构特征，分析薄弱层可能出现的位置，采用分段变截面（柱及支撑）的作法，但应同时防止楼层间侧向刚度的突然变化。其中，针对化工装置内的楼板多为钢格栅板这一特点，在设计中应考虑增设水平支撑。构件之间通过水平支撑的连接，可以较好地传递整个楼层横向和纵向两个方向的水平力，使整个楼面协同作用，并与框架结构共同工作。下面两组列表，是笔者设计的某化工项目主装置钢框架厂房在使用STS软件计算后，结构周期、地震力与振型的输出结果。表-1 和表-2分别是进行楼面水平撑优化前后的计算结果。可以看出，通过水平撑的合理布置，只需计算较少的振型个数，就有90%以上的有效质量参与了地震力的计算。另外，在支撑设备的钢梁侧面增设水平撑，还能将设备产生的水平力直接传至框架梁或框架柱，减小了支撑设备的钢梁的平面外弯矩，所以怎样布置水平支撑以使结构整体更为合理，应是值得设计者关注的一个问题。
　　表-1

　　表-2
　　结构计算
　　在确定结构方案及大致的结构布置后，就需对结构进行计算。一般地，化工装置厂房多为带有内管廊和较多管道支架的多层或有错层的结构，设计者在建模前要对结构模型做一定的简化，去除一些次要结构如置于楼面上的小操作平台，管道支架，设备基础等，通过分析它们与主要支撑构件间的连接方式、受力特点，以外加荷载的形式出现在模型中，然后运行程序做详细的结构计算分析。设计者在做具体结构计算分析时，可以从整体结构计算、构件计算、节点计算等不同层面加以考虑。

　　整体结构计算
　　整体结构计算分析，包括结构的整体稳定性、周期、地震力和结构的位移等。通过结构整体计算分析，可大致估计框架梁，框架柱，柱间支撑等主要结构构件的大小，并通过不同计算模型的比较以确定最优结构方案。由于化工钢框架往往是带有错层的，如果设计不当，会出现多个结构薄弱层，甚至第一振型出现扭转，这时设计者可考虑通过支撑调整而使整个结构动力特征达到合理的正常状态。同时设计者应注意的是，根据化工荷载规范，与地震力组合计算输入的设备荷载均应是设备的操作荷载，楼面活荷载也是正常操作时发生的荷载，并且当楼面活荷载按实际情况计算时，其活载的重力荷载代表值组合系数应取1.0，否则为0.5。此外，虽然该厂房一般是无封闭或部分封闭的，风荷载体型系数可适当折减，但因楼面上有较多的设备及管道，考虑到它们的遮挡作用，在整体计算时，风荷载体型系数建议仍取为1.3。
　　构件计算
　　钢构件的计算包括构件的强度计算，构件整体和局部稳定计算，受弯构件的挠度验算等。构件设计需注意控制构件板件的宽厚比，控制受压构件的长细比和受弯构件侧向支撑点间的长细比。由于无论是框架梁还是楼面钢梁一般常用H型钢或槽钢，它们在平面外的刚度较平面内要弱很多，水平支撑作为梁的侧向支撑，可以减小梁受压翼缘的自由长度，提高粱的整体稳定。因此设计者应在支撑设备的钢梁侧面增设水平撑，减小梁的尺寸，使构件设计更经济合理。
　　竖向柱间支撑是多层框架的主要抗侧力构件，其杆件内力可按所在层间的剪力进行计算，而且按内力设计支撑时，支撑端部的连接承载力宜考虑10%-15%的余量。
　　设计者还应计算各种工况下构件的承载能力，并通过一定量的工程设计的积累对构件计算结果主要受哪些工况控制有一个预判。例如，设备梁的大小一般是由试水工况或最大设备荷载决定的；普通的楼面次梁是由维修或安装工况决定的。需要特别注意的是，如果一根钢梁上支撑多个容器，则计算充水试验工况时，仅考虑一台容器处于充水试验状态，其余容器处于空载或正常操作状态。
　　再者，化工装置内有不少卧式容器，它们的重心一般不与楼面在同一标高上，此时设备上作用的水平力（如地震力，风荷载，卧式换热器的抽芯力等）会对钢梁产生一个附加弯矩。设计者可以将这种附加弯矩转换成一对竖向力偶分别作用到两个鞍座处（图一），在计算支撑鞍座的钢梁时，考虑这对附加竖向力的作用。同样地，一些穿楼面的容器，即使其耳座直接作用在楼面钢梁上，但只要设备重心不在楼面标高处

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，仍然需考虑地震力、风荷载等产生的附加弯矩。设备对支撑构件及其连接产生的水平地震作用标准值可按下式计算：
            ，  ，
　　其中为设备水平地震影响系数最大值，为设备重力荷载代表值，λ为放大系数，为建筑基础底至设备重心的距离，为建筑基础底至建筑物顶部的距离。

　　节点设计
　　钢结构的节点设计应注意受力明确，减少应力集中，采用强连接弱构件的原则。这里列举的是在工程设计中有关节点设计要注意的一些事项：
钢柱的柱脚节点—根据结构设计方案柱脚可分为刚接节点和铰接节点。对于柱-支撑结构体系，当梁柱连接节点设计为铰接节点时，其柱脚节点需考虑安装时的稳定要求而应具有一定的刚接抗弯能力。另外，柱脚锚栓是不考虑承受柱底水平力的，此水平反力可由底板与混凝土间的摩擦力或柱底抗剪键承受。通过一些工程实践，这里建议设计者采用柱底抗剪键来承担水平力。
　　框架梁、柱的拼接节点—构件的拼接一般采用与构件等强度的设计原则。由于考虑到现场的安全和施工质量的要求，化工装置的钢结构施工宜尽量避免现场焊接，因此框架梁的现场拼接一般全部采用高强度螺栓等强连接，此时上下翼缘的螺栓数会比较多，拼接板也较长，在一定程度上对管道支架的布置造成了困难，所以设计者也可以适当地采用翼缘全熔透坡口焊接和腹板高强度连接的拼接节点。框架梁、柱的拼接接头，除应考虑位于框架节点塑性区外，还应避免设在有管道支架或设备支座的位置附近。一般柱的拼接点位置宜在框架梁上方1.3m附近，可每三层设置一个拼接点。而由于各施工单位运输构件的能力不同，因此设计者应事先了解该施工单位能运输的框架柱的最大尺寸，以免对构件的运输造成困难；同时，设计者还需注意现场拼接点的设置能便于该楼层设备或立式容器的安装。
　　次梁与主梁的连接—主次梁的连接分为铰接与刚接。楼面上的主次梁连接，以简支铰接节点为主，次梁与主梁的竖向加劲板用高强度螺栓连接（图二a, b）。在连接计算时，通常是忽视主梁的扭转影响，只考虑次梁端部与主梁连接之间的剪力作用，但在计算连接螺栓或焊缝时，除了考虑作用在次梁端部的剪力外，尚应考虑由于偏心产生的附加弯矩的影响。图二a, b两种节点的剪力承载力是不同的，图b中的节点剪力承载力会随着主梁翼缘宽度的增加而减小。通过计算，对于Ｈ型钢梁的单剪连接的节点，当支撑它的构件翼缘宽为300mm时，其剪力承载力一般仅为钢梁本身剪力承载力的15%-20%。因为图b的这种节点形式便于次梁的安装，所以在实际工程中的应用还是较普遍的，此时作为设计者，除了计算钢梁本身的强度、稳定及挠度外，还应仔细验算构件的节点承载力是否满足要求。图a节点承载力较图b高，但当次梁间距较小，跨度较长时，安装将比较困难。为了不增大钢梁，又能在一定程度上提高节点的承载力，有时也可以将次梁的两端根据受力情况分别采用a, b两种节点形式。
　　防火和防腐
　　与混凝土结构相比，钢结构壁薄，吸热能力强，导热系数约为混凝土的40倍，裸露的钢结构耐火极限仅0.25小时，在火灾和高温的作用下将很快失效倒塌，因此钢结构设计必须考虑钢构件的耐火保护。其做法一般为钢结构外包耐火砖、混凝土或外刷防火涂料等。其中防火涂料因质量轻，耐火性能好，品种齐全，近年来使用广泛。设计者应根据石油化工企业防火规范及工艺安全工程师确定的防火等级及分区，明确框架内哪些部分的钢构件需作耐火保护。需要注意的是，如果某个设备有防火要求时，不仅该设备基础需做耐火保护，支撑设备基础的构件及传力途径中涉及的梁、柱均需考虑耐火保护。
　　另外，钢结构表面直接暴露在大气中就会锈蚀。当化工厂房空气中有侵蚀性介质时，钢框架锈蚀就会更加明显和严重，因此，对化工装置钢构件的防锈蚀问题应予以足够的重视。一般钢结构的防腐常采用防锈底漆，中间漆和面漆，涂装层数及厚度可根据其使用环境和涂层性质来决定。并注意用于构件表面的防锈底漆及用于防火保护材料外表面的防腐面层，均应与防火保护材料相适应，并具有良好的结合力。
　　结束语
　　化工装置钢框架，在石化工程项目中是一种常见的结构形式。设计者应通过工程实践，不断积累和总结设计中遇到的问题，通过更合理的布置和适宜的计算方法，使结构设计既安全可靠，又经济合理。
参考文献：
[1] 汪一骏等  “钢结构设计手册” 
[2] 北京：中国建筑工业出版社，2004年第三版
[3] 中华人民共和国建设部  “GB50017-2003钢结构设计规范”
[4] 北京：中国建筑工业出版社，2003
[5] 中国石化工程建设公司  “HG/T20674-2005化工、石化建（构）筑物荷载设计规定”
[6] 北京：中国计划出版社，2005
[7] 中国石油化工集团公司  “GB50160-2008石油化工企业设计防火规范”
[8] 北京：中国计划出版社，2008
[9] 刘其祥，陈青来等 “《建筑抗震设计规范》在多高层钢结构房屋抗侧力构件连接构造规定中存在的安全问题” 建筑结构 2012, 42(2): P107-112

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