型鋼混凝土在石油化工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

O談杜勇（中國石化工程建設(shè)有限公司 北京 100101）

型鋼混凝土在石油化工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

O談杜勇
（中國石化工程建設(shè)有限公司 北京 100101）

該文結(jié)合工程實(shí)際，介紹了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在焦炭塔框架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，包括設(shè)計(jì)思路及計(jì)算結(jié)果等，并展望了型鋼混凝土在石化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的前景。

型鋼混凝土；焦炭塔框架；組合結(jié)構(gòu)

1.前言

型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)(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(gòu)造鋼筋的結(jié)構(gòu)。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)部型鋼與外包混凝土形成整體、共同受力，其受力性能優(yōu)于這兩種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

2.型鋼混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)方法

型鋼混凝土構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法，反映在設(shè)計(jì)規(guī)范和規(guī)程上，有冶金部的YB9082-2006《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》和建設(shè)部的JGJ138-2001《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》。

《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》改進(jìn)自疊加法，構(gòu)件的承載力計(jì)算以及剛度、裂縫校核，均采用疊加原理，原理清晰、計(jì)算過程相對(duì)簡單。

《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》采用了鋼筋混凝土方法，構(gòu)件的承載力計(jì)算采用平截面假定，鋼骨與混凝土變形協(xié)調(diào)，通過構(gòu)件內(nèi)力平衡方程求解構(gòu)件承載力。其計(jì)算原理與構(gòu)件實(shí)際受力情況相近，設(shè)計(jì)結(jié)果相對(duì)較為準(zhǔn)確。本文選擇鋼筋混凝土方法為本次設(shè)計(jì)的主要計(jì)算方法。

3.工程設(shè)計(jì)實(shí)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(gòu)筑物，其設(shè)備操作重量大、設(shè)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(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，設(shè)計(jì)計(jì)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(jié)構(gòu)。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(zhì)重3040t，滿焦工況焦炭量為1150t。

工程所在場(chǎng)地的基本風(fēng)壓（地面上10m處）：0．5kN/ m2；地面粗糙度類別：B類。抗震設(shè)防烈度：7度；工程場(chǎng)地設(shè)計(jì)基本地震加速度值：0．15g；設(shè)計(jì)地震分組：第一組。

該框架除正常設(shè)計(jì)外，上游專業(yè)在結(jié)構(gòu)空間利用上提出了其他一些要求：主要構(gòu)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(shè)置一臺(tái)冷焦水過濾器及其附屬操作框架；塔體下方框架范圍內(nèi)需要設(shè)置若干全封閉設(shè)備操作房。

(2)結(jié)構(gòu)型式選擇

該焦炭塔框架設(shè)備支承部分是較為典型的塔型設(shè)備基礎(chǔ)，為兩塔板式框架聯(lián)合塔基礎(chǔ)，共三層，高27m，縱向連續(xù)兩跨12．5x2m，橫向?yàn)閱慰?2．5m；出焦井架標(biāo)高自27m 至117m，為中心支撐鋼結(jié)構(gòu)框架。

(3)計(jì)算模型

設(shè)計(jì)采用通用有限元分析軟件SAP2000。焦炭塔框架屬于高聳組合結(jié)構(gòu)，為盡可能模擬結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，整體建模分析時(shí)充分考慮了下部混凝土框架、上部鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)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(jù)SH/T3079-2012《石油化工焦炭塔框架設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)條文，焦炭塔框架設(shè)計(jì)應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)最不利的效應(yīng)組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)兩塔結(jié)構(gòu)，其最不利效應(yīng)組合采用以下幾組：

正常操作：1．2永久荷載+1．0x1．3x（介質(zhì)荷載+活荷載）+1．4x風(fēng)荷載；停產(chǎn)前：1．2永久荷載+1．0x1．3x（介質(zhì)荷載+活荷載）+1．4x風(fēng)荷載；停產(chǎn)檢修：1．2永久荷載+1．0x1．3x活荷載+1．4x風(fēng)荷載；地震作用：1．2x[永久荷載+0．5x（介質(zhì)荷載+活荷載）]+1．3x水平地震荷載+1．4x0．2x風(fēng)荷載。

(5)計(jì)算結(jié)果及截面設(shè)計(jì)

①框架柱

設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)選取兩種框架柱截面尺寸即以往工程經(jīng)驗(yàn)采用的2500mmx2500mm的大柱與使用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的1800mmx1800mm的小柱，通過計(jì)算對(duì)比選取適用于本結(jié)構(gòu)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(jì)算，因框架柱截面尺寸不同引起的結(jié)構(gòu)剛度差別很大，導(dǎo)致彈性計(jì)算所得結(jié)果周期、內(nèi)力及變形結(jié)果差別也很大。地震組合工況對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果起控制作用，結(jié)構(gòu)剛度變化對(duì)內(nèi)力、變形的計(jì)算結(jié)果的影響比較明顯。小柱模型整體剛度小，柔性增加，相同風(fēng)載或地震作用條件下結(jié)構(gòu)內(nèi)力較小，有利于構(gòu)件截面設(shè)計(jì)。

在兩種模型計(jì)算得到的初步結(jié)果均滿足規(guī)范要求的前提下，選擇較小截面的柱有利于增加結(jié)構(gòu)柔性，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力，從而改善結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)、抗震性能。較小截面框架柱也有利于設(shè)備、管線的整體布置。因此初步確定選用1800mmx1800mm的框架柱。彈性設(shè)計(jì)階段框架柱為地震組合控制，據(jù)此對(duì)該柱按型鋼混凝土構(gòu)件分別進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。按型鋼混凝土構(gòu)件進(jìn)行截面設(shè)計(jì)，柱內(nèi)通長設(shè)置十字型鋼，型鋼截面1400x600x24x32，按《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行配筋計(jì)算。柱截面四角配置了四個(gè)小芯柱，用以加強(qiáng)截面抗剪構(gòu)造；型鋼翼緣外側(cè)通長設(shè)置了栓釘，以增強(qiáng)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(shè)計(jì)需要，標(biāo)高相對(duì)較為確定，調(diào)整余地較小。梁截面取1500mmx2500mm，適當(dāng)增加梁截面剛度可以控制框架柱的反彎點(diǎn)位置，以此達(dá)到調(diào)整柱截面設(shè)計(jì)彎矩的目的，同時(shí)這也有利于減小筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)的內(nèi)力取值。

框架梁內(nèi)設(shè)H型鋼，與框架柱內(nèi)型鋼柱組成內(nèi)框架體系，以提高結(jié)構(gòu)整體性。標(biāo)高8m及19m框架梁梁型鋼截面H2100x600x25x25，已知內(nèi)力設(shè)計(jì)值的情況下按《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行配筋計(jì)算。截面見圖2。

框架頂板為設(shè)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(shè)置了型鋼斜梁（截面H2100x500x30x30），利用SAP2000結(jié)果提取內(nèi)力計(jì)算厚板配筋。斜梁的設(shè)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(shè)計(jì)總結(jié)及展望

通過本次工程設(shè)計(jì)實(shí)踐及后續(xù)的施工反饋，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在焦炭塔框架等石化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)用中有以下幾方面經(jīng)驗(yàn)：

(1)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)利用型鋼與混凝土共同受力的特點(diǎn)，充分發(fā)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(gòu)件的截面尺寸可以設(shè)計(jì)的更小，結(jié)構(gòu)的空間利用率更高，有利于靈活布置設(shè)備及其他設(shè)施，以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。

(3)型鋼采用工廠加工，利于控制質(zhì)量和進(jìn)度。

(4)石化行業(yè)中型鋼混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用尚較少，考慮到焦炭塔框架結(jié)構(gòu)的重要性，設(shè)計(jì)計(jì)算過程仍較為保守。今后應(yīng)在保證結(jié)構(gòu)安全性的前提下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在焦炭塔框架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用是一次新的嘗試。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用，應(yīng)著重發(fā)揮其受力優(yōu)點(diǎn)，通過合理設(shè)計(jì)構(gòu)件并加以優(yōu)化，提高型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的適用性和經(jīng)濟(jì)性，使其在石油化工大型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中獲得更多的應(yīng)用。

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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(shè)有限公司，研究方向：石油化工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。