某煤化工主廠房氣化框架設計與分析

張明輝， 王建偉

1 東華工程科技股份有限公司（230024） 2 河南科技學院園林學院（453003）

進入21世紀以來，國際原油價格大幅攀升，而我國資源的分布又屬于“富煤缺油少氣型”[1]，因此，我國煤化工行業進入了前所未有的大發展時期。隨著大型煤化工基地的發展，為了滿足現代工廠生產工藝的需要，某些基地的主廠房呈現出錯層多、樓面開洞多、工藝布置復雜、設備重震動大且在較高樓層運行等特點，對結構設計的要求越來越高。鑒于此，本文以某煤化工主廠房氣化框架為例，探討其框架設計的經驗，以供同類項目主廠房框架設計做以參考。

1 工程概況

該氣化框架主廠房總長45.0m、總寬21.0m、總高度43.0 m。主要樓面布置及設備布置如下:第1層7.500m，有3臺各重45t的鎖斗；第3層15.500m，有3臺各重20t的檢修用推車;第4層22.500m,有3臺各重425t的氣化爐，22.500 m平面布置圖見圖1;第5層30.000m,有3臺各重32t的鎖斗沖洗罐;頂層43.000m,有1臺3t電動葫蘆。本工程分別在東西兩側設樓梯各一個，同時在東側設消防電梯一部。

圖1 22.500m平面圖

2 結構設計方案選擇

本工程主要設備為3臺氣化爐，單臺氣化爐操作重425 t，凈重100t，且需要安裝于第4層22.500m處。本工程樓層豎向布置及設備布置見圖2。因此在結構設計方案選擇時，需要重點考慮選擇哪種結構作為氣化爐支撐體及氣化爐的吊裝問題。根據本工程特點，經過專家討論，為確保氣化爐安全運行,氣化爐承重結構即第4層22.500m平面以下采用現澆鋼筋混凝土框架結構。同時綜合考慮氣化爐吊裝的經濟性、安全性、工程進度等多方面因素，最后提出三種方案。

方案一:結構型式選為鋼筋混凝土框架結構，選擇頂層43.000m鋼筋混凝土梁用于氣化爐吊裝,待本工程主體施工完畢，混凝土養護至設計強度后，利用卷揚機和滑輪組，借用框架主體、頂層43.000m鋼筋混凝土梁及埋置于設定位置的錨點，將氣化爐吊裝至第4層22.500m平面，然后將氣化爐安裝定位。

方案二:上部主要承重結構即第4層22.500m平面以下采用現澆鋼筋混凝土框架結構，22.500～43.000m采用鋼結構，待第4層22.500m以下鋼筋混凝土結構施工完畢，混凝土養護至設計強度后，采用2000t吊車將氣化爐吊裝至第4層22.500m平面，先將氣化爐安裝定位，然后施工上部鋼結構。

方案三:本工程結構型式選為鋼筋混凝土框架結構,待第4層22.500m以下鋼筋混凝土結構施工完畢,混凝土養護至設計強度后,采用2000t吊車將氣化爐吊至第4層22.500m平面,先將氣化爐安裝定位，然后施工22.500～43.000m鋼筋混凝土結構。

無論采用那種方案進行設計，在施工時施工單位必須制定更詳細的氣化爐吊裝方案，確保設備吊裝安全。

在結構設計方案比選時,設計者重點從主體結構造價、吊裝費用、施工總工期這三個方面進行方案比較。

方案二的優點是施工速度快，但是由于方案二中22.500～43.000m采用鋼結構，用鋼量較大，且鋼材價格較高，造成方案二主體結構造價最高，不符合經濟性要求。

方案三比較經濟,但是方案三所需施工總工期最長,且在氣化爐安裝完成后再施工22.500～43.000m鋼筋混凝土結構，不利于重要設備保護。

相比之下，方案一主體結構造價最低，同時方案一是在主體結構施工完成后，再吊裝氣化爐,有利于重要設備保護；而且方案一是利用卷揚機和滑輪組,借用框架主體、頂層43.000 m鋼筋混凝土梁及埋置于設定位置的錨點，吊裝氣化爐，可以大大節約吊裝費用；最重要的是，如果重要設備氣化爐因廠家原因或者運輸問題不能按時到貨，方案二和方案三，都會影響主體結構施工，使得總工期受到設備到貨時間制約，而方案一是在主體結構施工完成后，再吊裝氣化爐,有效避免了設備到貨對施工總工期的不利影響。三種方案綜合比較可見方案一最優，故選擇方案一作為本工程結構設計方案。中國建筑科學研究院編制的結構計算軟件PKPM系列軟件(SATWE)，隨著程序的不斷完善，在輸入和運行上都有了極大的改進，并且經過實際工程檢驗，運用該程序計算出來的配筋結果準確性較高，可以有效地滿足結構安全性的要求，故本工程選取PKPM2008版軟件進行空間整體建模分析計算，并進行中國規范檢驗。在計算模型分析時分別按照氣化爐吊裝和正常運行兩種工況進行程序分析計算,然后取最不利結果進行施工圖設計。

圖2 主廠房剖面圖

3 結構建模與分析

3.1 計算參數

本工程所在場地的地震基本烈度為7度,設計基本地震加速度為0.10g，氣化框架設計基準期為50年，建筑結構的安全等級為一級，結構重要性系數為1.1，建筑場地類別為II類，場地屬抗震有利地段，地面粗糙度為B類，基本風壓為0.65kN/m2，基本雪壓為 0.35kN/m2。

3.2 抗震等級

根據《建筑工程抗震設防分類標準》[2]第7.2條分析，本工程抗震設防類別應劃為乙類；根據《高層間準凝土結構技術規程》[3]（以下簡稱《高規》）第4.8條分析，本工程房屋高度大于30m,且本工程為乙類設防,故本工程抗震等級為一級。

3.3 陣型數選取及柱計算長度系數確定

根據《建筑抗震設計規范》[4]第5.2.2條條文說明分析，有效質量數是判定結構陣型數取得夠不夠的重要指標,也是地震作用夠不夠的重要指標。當有效質量數大于90%時,表示陣型數、地震作用滿足規范要求。反之應增加計算的陣型數，否則按此地震作用設計的結構將不存在安全性。本工程結構計算陣型數取15，經程序計算，滿足規范要求。在計算模型分析時，經過設計核算，部分框架柱水平荷載產生的彎矩設計值占總彎矩設計值的75%以上,框架柱計算長度系數計算應執行《混凝土結構設計規范》[5]第7.3.11-3條，所以程序計算時應選“混凝土柱計算長度系數計算執行混凝土規范第7.3.11-3條”。

3.4 規則性判定、抗震變形驗算及軸壓比控制

根據《高規》第4.3和4.4條分析，本工程屬于平面和立面均不規則結構?，F階段我國抗震設防思想是:“三水準的設防目標”和為實現這個目標而采取的“兩階段設計步驟”。本工程主廠房在進行空間整體建模分析計算時,中震作用下采用彈性反應譜法進行內力計算,并考慮雙向地震作用下的扭轉影響，按彈性方法計算的樓層層間最大位移與層高之比Δu/h滿足《高規》第4.6.3條要求；大震作用時采用彈塑性時程分析，結構薄弱層的層間彈塑性位移滿足《高規》第4.6.5條要求,說明該框架結構布置及剛度分布能很好滿足結構抗震要求。軸壓比是控制框架柱截面延性性能的主要指標，控制軸壓比限值的目的是要求框架柱截面達到具有較好延性性能的大偏壓延性破壞狀態,以防止小偏壓狀態的脆性破壞，從而保證框架結構在罕遇地震作用下即使超出彈性極限仍具有足夠大的彈塑性極限變形能力（即延性和耗能能力），實現“大震不倒”的設計目標。根據《高規》第6.4.2條要求，本工程框架柱的軸壓比不大于0.80，短柱軸壓比不大于0.75，經過PKPM計算分析，軸壓比滿足規范要求。

4 結語

煤化工項目主廠房氣化框架的結構設計是一個比較復雜的過程。因其結構布置復雜、平面和豎向布置均不規則、錯層多、樓面開洞多、樓面大型設備又為振動設備等特點，且該類項目主廠房在設計時必須考慮設備吊裝等因素，所以結構設計人員在設計時必須予以足夠重視,對其設計方案的選擇、計算模型的選擇、設計參數的選擇及計算結果，都應作出認真的分析判斷，從而做出相對比較安全、經濟、合理的設計方案。

[1]錢學文.中國與中東的能源合作[J].國際觀察,2008(1):45-50.

[2]GB50223-2008,建筑工程抗震設防分類標準[S].

[3]JGJ3-2002J186-2002,高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[4]GB50011-2001（2008年版）,建筑抗震設計規范[S].

[5]GB50010-2002,混凝土結構設計規范[S].