石化裝置中塔形設備樓梯間的結構設計重點

陳雨

摘 要 本文結合工程實例，利用有效數據資料，對塔形設備樓梯間的結構設計方法、構造要求做了簡要介紹，并分析如何從結構選型和改變節點形式上避免因設備受熱膨脹而給樓梯間結構帶來的不利影響，并闡述不同做法的利弊和適用條件。

關鍵詞 樓梯間；熱膨脹；滑動節點

中圖分類號 TU3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）161-0163-02

石化行業常減壓裝置中往往要設立常壓和減壓兩個立式塔形設備（以下簡稱“塔”），對流經的原油進行蒸餾。顧名思義，兩設備酷似尖塔，外形瘦高，塔頂往往能達到五、六十米甚至更高，如此高度，則需要在旁設立一幢幾乎等高的樓梯間，方便人員進入各層平臺對設備進行操作、檢修。

因常、減壓塔剛度相對較大，所以在結構設計中常將樓梯間用連梁與塔進行多層的連接，形成以小傍大的結構形式，確保樓梯間結構的柱頂位移和在風、地震等工況作用下的穩定性滿足規范要求。但在正常操作的工況下，塔內進行的是原油蒸餾工藝，溫度很高，而停產檢修時，內部又回歸了常溫常壓，如此的溫度往復促使塔體（碳鋼材質）形成不同程度的膨脹和收縮，這種變形勢必會影響與其連接的樓梯間，現結合某工程實例，對上述問題做一簡單介紹和探討。

1 工程概況

1）本例為某工程項目減壓塔樓梯間，減壓塔頂標高為57.2m，樓梯間設計總高度為49.6m，采用鋼結構，樓梯間鋼柱截面為焊接H型鋼H450×400×16×25。

2）自然條件：基本風壓0.60kN/m2，地面粗糙度類別A類。抗震設防烈度7度，設計地震分組第二組，場地類別Ⅱ類。

2 結構方案

方案一：獨立樓梯間結構。

優點：可不與塔器鏈接，避免變形；

缺點：占地面積大，用鋼量大。

方案二：與塔鏈接的結構方案。

優點：節省空間，用鋼量小；

缺點：與設備鏈接，需考慮變形帶來的影響。

起初在結構選型時曾考慮將樓梯間做成由四根鋼柱組成的獨立框架結構（圖1），這種方案，無需與塔體有任何連接，雖然從根本上避免了與塔體共同變形的問題，但考慮到結構總高度較高，并且要選用4根鋼柱，假設采用寬翼緣截面（HW400×400×13×21），柱高49.2m，也就意味著在不計算梁的前提下，僅鋼柱的用鋼量相對第二種方案就增加了近17t。

反觀方案二（圖2），采用兩根立柱，強軸方向與剛度相對較大的塔進行連接，并在連接后利用與塔連接的構件在平面內組成桁架，將另外一個方向的風荷載也有效傳遞至塔體，并節省了樓梯間結構所占空間。因本例未涉及常壓塔，而當常、減壓兩塔因工藝配管布置需要相鄰而立時，兩塔間的空隙本身就不大，還要設立一座樓梯間（同時為兩塔服務），屆時對結構所占空間的要求就更為苛刻。

綜上結述，采用方案二不僅可以減少用鋼量，并且在荷載的傳遞，結構的穩定性上又得到了充分的保障，做到了經濟適用的設計原則，故在本例中排除了獨立框架的設計思路。

需要注意的是：對樓梯間結構的各項計算和穩定性來講，在保證不影響其他專業的前提下應盡可能與塔體設置更多的連接，這就需要提前做好充分的資料收集和排查，例如，因塔體表面在與樓梯間鏈接的相應的位置上可能存在人孔、法蘭接口或設備平臺等多種情況，致使該層標高無法連接，此時，應積極主動與設備或相關專業人員溝通協商，共同解決問題，如果客觀條件確實不能保證結構計算及穩定性所需要的基本連接，那么還應考慮獨立框架的結構形式，抑或其他更好的方案，需仔細斟酌。（本例結構立面布置圖見圖3，除▽44.8m，其余標高全部與塔連接）。

3 塔體變形

裝置正常工作時，減壓塔內介質溫度基本保持在240℃，塔體由鋼板焊接制成，在受熱后會產生垂直和水平兩個方向的膨脹，雖然熱膨脹后的尺寸變化很小，但要阻礙這個尺寸變化所需要的力是非常大的（因為鋼材的彈性模量很大，故膨脹時產生的力也非常大），換言之，如若膨脹受到了約束，就要看約束它的物體的剛度了，反之，它產生的力會協調約束它的物體一起變形。

本案中，假若樓梯間與塔體采用剛性連接，那么塔膨脹時所受的約束就全部來自樓梯間結構。很顯然樓梯間的剛度小于減壓塔，考慮到它們之間是分層鏈接，在標高較低處的膨脹量小一些，力還有可能通過連接兩者之間鋼梁自身的塑性變形來吸收，但在48m標高處塔的計算垂直膨脹量已經達到了144mm，因跨度較小，鋼梁出現塑性變形的限制必定會超過現《鋼結構設計規范》中受彎構件的撓度容許值，甚至有可能被破壞，所以必然要采取相應的手段和措施來解決這一問題。

下表為已知鋼材的彈性模量與熱膨脹系數計算得出的不同標高的理論膨脹量，計算假設未受任何約束，即塔體完全自由膨脹。

4 滑動節點

既然不能選用剛性連接，最好的方法就是考慮滑動節點。結合本案筆者將涉及2種節點作法：

第一種——長橢圓孔滑動節點，詳見圖4，很直觀就可以看出設計原理，在與設備連接的端板上開出一條細長的螺栓孔（a值根據不同標高塔體膨脹量的不同而定），當塔體膨脹時，焊接在塔體上的連接端板隨著塔體向上滑動，螺栓在長孔內跟著滑動，這樣一來，連梁依舊可以保持在原有標高不受任何影響，從而保證樓梯間結構的安全穩定性。但此種節點為了保證螺栓可以在孔內滑動，便不能將其擰死，即假定連梁的受力狀態接近懸臂，如此一來，就對連梁的規格和跨度有了嚴格要求。本例連梁跨度3.5m，在充分考慮平臺恒、活荷載的前提下，只能采用大號鋼梁加三角支撐的辦法，然而三角架必定會影響通行，故很難做到完全懸臂。（當然設備端螺栓連接處節點不承受任何剪力也過于理想化，只是計算過程中不能當作有利條件考慮）需要注意的是這種作法節點板的尺寸及開孔大小會隨標高和膨脹量有所改變，不便施工。讓我們再來看看另外一種連接方法面是否有更好的解決方案。

第二種——雙圓孔滑動節點，詳見圖5，這種節點的設計思路不同于第一種，它是將連梁的兩端全部做成滑動節點，而非第一種的一端固定，一端滑動的作法。這樣一來，無論設備正常工作還是檢修狀態，塔體是否膨脹，它自始自終便處于簡支狀態；其原理就是連梁通過兩端螺栓在孔內的上下錯動產生平面內的轉動來抵消塔體膨脹時帶來的變形。經過放樣計算，直徑30mm的螺栓在50mm直徑的螺孔內，跨度為3.5m時，梁靠左右兩端由螺栓錯動帶來的垂直距差可達180mm，完全可以抵消本例中44.9m標高處產生的理論最大膨脹量144mm，所以本例最終的選擇是雙圓孔作法。相對第一種做法，它的螺孔形式更簡單，連接板尺寸也不因層高（膨脹量大）而有所變化，方便施工。

而實際兩者的實質區別在于：

1）梁的計算受力狀態，一個懸臂、一個簡支；

2）能夠承受的膨脹量不同：雙圓孔錯動的距離是根據梁長以及螺孔直徑決定的；長橢圓孔相對隨意些，可以自由選取開孔的長度。所以面對不同情況，做不同選擇，相信也會有很多其他的節點做法，有待驗證，筆者所涉及的僅此兩種。另外塔體徑向膨脹一般都不大，本例表現10mm左右，所以不做考慮。

5 結論

樓梯間結構面對塔體熱膨脹帶來的變形影響，可以通過合理的結構選型和改變節點方式得到解決。總結來說，在做設計之前，應待收集全部資料（設備的制造圖，配管的平面布置圖，塔體在不同標高的膨脹量等）之后，根據一切有關的客觀條件，冷靜分析，選擇適用、有效的結構形式和連接節點的作法。

參考文獻

[1]鋼結構設計規范 GB 50017-2003.

[2]石油化工塔形設備基礎設計規范 SH/T 3030-2009.