型鋼混凝土在石油化工結構設計中的應用

O談杜勇（中國石化工程建設有限公司 北京 100101）

型鋼混凝土在石油化工結構設計中的應用

O談杜勇
（中國石化工程建設有限公司 北京 100101）

該文結合工程實際，介紹了型鋼混凝土結構在焦炭塔框架設計中的應用，包括設計思路及計算結果等，并展望了型鋼混凝土在石化結構設計中的前景。

型鋼混凝土；焦炭塔框架；組合結構

1.前言

型鋼混凝土組合結構(Steel Reinforced Concrete)是指在混凝土中主要配置型鋼(軋制或焊接成型)，并且配有一定的受力鋼筋和構造鋼筋的結構。型鋼混凝土結構構件的內部型鋼與外包混凝土形成整體、共同受力，其受力性能優于這兩種結構的簡單疊加。本文以某煉油工程焦炭塔框架為例，簡單介紹型鋼混凝土在石油化工框架結構設計中的應用。

2.型鋼混凝土結構基本設計方法

型鋼混凝土構件的設計方法，反映在設計規范和規程上，有冶金部的YB9082-2006《鋼骨混凝土結構設計規程》和建設部的JGJ138-2001《型鋼混凝土組合結構技術規程》。

《鋼骨混凝土結構設計規程》改進自疊加法，構件的承載力計算以及剛度、裂縫校核，均采用疊加原理，原理清晰、計算過程相對簡單。

《型鋼混凝土組合結構技術規程》采用了鋼筋混凝土方法，構件的承載力計算采用平截面假定，鋼骨與混凝土變形協調，通過構件內力平衡方程求解構件承載力。其計算原理與構件實際受力情況相近，設計結果相對較為準確。本文選擇鋼筋混凝土方法為本次設計的主要計算方法。

3.工程設計實例簡介

(1)工程概況

焦炭塔框架是石油化工延遲焦化裝置中的核心構筑物，其設備操作重量大、設備支座位置較高、井架總高度較高，一般附帶有出焦溜槽、樓（電）梯間等，整體結構體系復雜，設計計算難度較大。

某煉油工程延遲焦化裝置焦炭塔框架，為兩塔結構。焦炭塔單塔自重430t，塔外徑9690mm，單塔最大高度41．3m。水焦工況最大操作介質重3040t，滿焦工況焦炭量為1150t。

工程所在場地的基本風壓（地面上10m處）：0．5kN/ m2；地面粗糙度類別：B類。抗震設防烈度：7度；工程場地設計基本地震加速度值：0．15g；設計地震分組：第一組。

該框架除正常設計外，上游專業在結構空間利用上提出了其他一些要求：主要構件截面希望盡量小，以滿足整體平面布置的需要；塔體下方需要一定空間，用于設置一臺冷焦水過濾器及其附屬操作框架；塔體下方框架范圍內需要設置若干全封閉設備操作房。

(2)結構型式選擇

該焦炭塔框架設備支承部分是較為典型的塔型設備基礎，為兩塔板式框架聯合塔基礎，共三層，高27m，縱向連續兩跨12．5x2m，橫向為單跨12．5m；出焦井架標高自27m 至117m，為中心支撐鋼結構框架。

(3)計算模型

設計采用通用有限元分析軟件SAP2000。焦炭塔框架屬于高聳組合結構，為盡可能模擬結構的實際情況，整體建模分析時充分考慮了下部混凝土框架、上部鋼結構井架及塔體共同作用，其總體布置如下圖1所示：

模型中單元選擇如下：混凝土框架柱、梁及井架鋼結構梁、柱、支撐均以桿單元模擬；混凝土頂板采用厚殼單元模擬；設備塔體采用薄殼單元模擬。

圖1 焦炭塔框架總體模型

(4)荷載組合

根據SH/T3079-2012《石油化工焦炭塔框架設計規范》的相關條文，焦炭塔框架設計應按承載能力極限狀態最不利的效應組合進行設計。對兩塔結構，其最不利效應組合采用以下幾組：

正常操作：1．2永久荷載+1．0x1．3x（介質荷載+活荷載）+1．4x風荷載；停產前：1．2永久荷載+1．0x1．3x（介質荷載+活荷載）+1．4x風荷載；停產檢修：1．2永久荷載+1．0x1．3x活荷載+1．4x風荷載；地震作用：1．2x[永久荷載+0．5x（介質荷載+活荷載）]+1．3x水平地震荷載+1．4x0．2x風荷載。

(5)計算結果及截面設計

①框架柱

設計初期假定其他條件完全相同的情況下，為確定框架柱截面尺寸，設計選取兩種框架柱截面尺寸即以往工程經驗采用的2500mmx2500mm的大柱與使用型鋼混凝土結構的1800mmx1800mm的小柱，通過計算對比選取適用于本結構的合理尺寸。其他條件相同情況下，大柱、小柱兩套模型分別計算，因框架柱截面尺寸不同引起的結構剛度差別很大，導致彈性計算所得結果周期、內力及變形結果差別也很大。地震組合工況對設計結果起控制作用，結構剛度變化對內力、變形的計算結果的影響比較明顯。小柱模型整體剛度小，柔性增加，相同風載或地震作用條件下結構內力較小，有利于構件截面設計。

在兩種模型計算得到的初步結果均滿足規范要求的前提下，選擇較小截面的柱有利于增加結構柔性，增強結構的延性和耗能能力，從而改善結構的抗風、抗震性能。較小截面框架柱也有利于設備、管線的整體布置。因此初步確定選用1800mmx1800mm的框架柱。彈性設計階段框架柱為地震組合控制，據此對該柱按型鋼混凝土構件分別進行截面設計。按型鋼混凝土構件進行截面設計，柱內通長設置十字型鋼，型鋼截面1400x600x24x32，按《型鋼混凝土組合結構技術規程》進行配筋計算。柱截面四角配置了四個小芯柱，用以加強截面抗剪構造；型鋼翼緣外側通長設置了栓釘，以增強型鋼翼緣與混凝土之間的剪力傳遞性能，其截面見圖2。

圖2 型鋼柱、型鋼梁截面圖

②框架梁及頂板

框架梁由于工藝設計需要，標高相對較為確定，調整余地較小。梁截面取1500mmx2500mm，適當增加梁截面剛度可以控制框架柱的反彎點位置，以此達到調整柱截面設計彎矩的目的，同時這也有利于減小筏板基礎設計時的內力取值。

框架梁內設H型鋼，與框架柱內型鋼柱組成內框架體系，以提高結構整體性。標高8m及19m框架梁梁型鋼截面H2100x600x25x25，已知內力設計值的情況下按《型鋼混凝土組合結構技術規程》進行配筋計算。截面見圖2。

框架頂板為設備支座層，直接承受塔體荷載。頂板厚2500mm，中心大開洞直徑D=8400mm，中間設置了型鋼斜梁（截面H2100x500x30x30），利用SAP2000結果提取內力計算厚板配筋。斜梁的設置有利于改善頂板受力情況，簡化傳力路線，其平面見圖3。

圖3 頂層型鋼梁平面布置圖

4.設計總結及展望

通過本次工程設計實踐及后續的施工反饋，型鋼混凝土結構在焦炭塔框架等石化結構的設計應用中有以下幾方面經驗：

(1)型鋼混凝土結構利用型鋼與混凝土共同受力的特點，充分發揮了混凝土的抗壓性能與型鋼的抗彎性能，較大地提高了延性和耗能性。

(2)相同外荷載條件下，型鋼混凝土構件的截面尺寸可以設計的更小，結構的空間利用率更高，有利于靈活布置設備及其他設施，以滿足實際生產的需要。

(3)型鋼采用工廠加工，利于控制質量和進度。

(4)石化行業中型鋼混凝土結構應用尚較少，考慮到焦炭塔框架結構的重要性，設計計算過程仍較為保守。今后應在保證結構安全性的前提下，優化結構方案，提高結構設計的經濟性。

型鋼混凝土結構在焦炭塔框架設計中的應用是一次新的嘗試。型鋼混凝土結構的設計使用，應著重發揮其受力優點，通過合理設計構件并加以優化，提高型鋼混凝土結構的適用性和經濟性，使其在石油化工大型結構設計中獲得更多的應用。

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[5]白國良,秦福華.型鋼鋼筋混凝土原理與設計[M].上海,上海科學技術出版社,2000.

Application of Steel Reinforced Concrete inPetrochemical Structure Design

Tan Duyong

(Sinopec Engineering Incorporation Beijing 100101)

This paper introduces the application of SRC structure in the designing of the framework of coke tower, including overall design ideas and calculation results. This paper also summarizes the experience of this project, and looks forward to the prospect of SRC structure in petrochemical structure design.

SRC；Frame Structure of Coke Column；Composite Structure

T

A

談杜勇（1980～），男，中國石化工程建設有限公司，研究方向：石油化工結構設計。