鋼管架平面與空間模型計算的對比

包 凱（中石化洛陽工程有限公司，河南洛陽 471000）

鋼管架平面與空間模型計算的對比

包 凱
（中石化洛陽工程有限公司，河南洛陽 471000）

管架結構是石化工程設計中一種常見構筑物，是裝置間及裝置內各單體、建構筑物及設備間相互連接的重要途徑。在日常的結構設計工作中，對于管架結構通常采用平面計算模型，隨著STAADPRO等有限元軟件在設計工作中的推廣，三維空間有限元分析模型在實際設計工作中具備了很強的操作性，針對實際工程分別采用兩種分析模型進行計算，并對模型進行對比，供設計人員在日后的設計工作中參考。

縱梁式管架；平面計算；空間計算

1　管架結構的特點

管架結構是石化行業工程設計中一種常見結構，是裝置間及裝置內各單體、建構筑物及設備間相互連接的重要途徑，具有面多量廣、形式復雜多樣的特點，是煉油裝置最基本的構筑物形式之一。而鋼結構管架，具有自重輕，材料強度高，具有良好的韌性，受力明確，施工方便，易于改造的特點，廣泛的應用于石化行業裝置內管架結構。

在SH/T3055—2007，石油化工管架設計規范中，將管架根據結構形式分類如下：獨立式管架（可分為剛性管架和柔性管架）、跨越式管架、縱梁（桁架）式管架、拉桿式管架、吊索式管架和特種管架［1］。

裝置內管架通常采用縱梁式管架結構，其特點為：受力形式相對簡單，主要荷載為管道垂直荷載及熱力管線產生的水平推力，部分管架會根據工藝要求在頂層設置空冷器而帶來的相關垂直荷載和水平荷載，工藝要求布置在管架上的設備荷載以及儀表電氣專業在管架上布置槽盒橋架帶來的垂直荷載。通常承重方案為橫向承重體系，縱向長度遠大于橫向長度，單榀管架平面內剛接，平面外多數采用有支撐體系，縱向連系梁與各剛架鉸接。

2　平面與空間計算模型簡介

實際結構是空間的受力體系，但不論是靜力分析還是動力分析，往往必須采取一定的簡化處理，以建立相應的計算簡圖或分析模型。目前，常用的結構分析模型可分為兩大類：一類為平面結構分析模型；另一類為三維空間有限元分析模型。

2.1平面結構分析模型

此計算方法將結構劃分若干片正交或斜交的平面抗側力結構，但對任意方向的水平荷載和水平地震作用，所有正交或斜交的抗側力結構均參與工作，并按空間位移協調條件進行水平力的分配。樓板假定在其自身平面內剛度無限大。主要適用于平面布置較為規則的框架結構、框-剪結構、剪力墻結構等。

在實際設計工作中，管架結構通常采用STS-PK或STAADPRO/SSDD進行計算，將管架結構沿縱向簡化成若干榀獨立的管架，使管架結構簡化為二維桿系結構。然后抽取其中具有代表性的若干榀管架進行核算，管架縱向則采用有支撐體系。常常忽略管橋結構的縱向計算，僅在平面內對結構進行內力計算及構件校核。對于管架的縱向梁，雖然要求能傳遞縱向拉力，但是因為其通常采用H型鋼，其軸向承載能力一般不起控制作用，在實際設計中僅按照縱向梁承受橫向進出管道荷載和其他荷載進行控制。而管架的柱間支撐通常情況下不由強度條件控制，僅須根據容許長細比對支撐截面型號進行控制。

2.2三維空間有限元分析模型

此計算方法將建筑結構作為空間體系，以節點位移為未知量，由矩陣位移法形成線性方程組求解。該方法計算精度較高，適用于各種類型，各種形狀，不同邊界條件的結構，各種工況如風荷載作用和地震作用均可計算。

3　實際工程中兩種算法結果的對比

3.1工程概況

為了對比在縱梁式管架結構采用兩種計算模型所得到結果的異同，現對實際工程作出對比。該工程為某煉油裝置中主管橋，采用鋼結構縱梁式管架形式，管架共12個軸線，單跨，跨度為5.7m，1～2軸柱距5.5m，2～12軸柱距6m，總長65.5m，其中5-9軸線內布置了空冷器。當地自然條件風荷載為0.55kN/ m2，地面粗糙度為B類，地震設防烈度7度，基本加速度0.10g，設防分組為第一組，場地土為II類。采用天然地基，其地基承載力特征值為180kPa。

3.2平面結構分析模型

在此計算方案中采用PKPM中STS-PK進行平面建模及計算。其中選取具有代表性的6軸（帶空冷不打撐），7軸（帶空冷打撐），10軸（不帶空冷不打撐）構件以及A軸構件進行縱向計算，校核構件強度剛度及穩定性。

該方法為實際設計工作中經常采用的，用以指導管架的橫向計算的基礎大小以及上部結構重鋼柱及管道橫向梁的選型。而在實際的設計工作中，設計人員往往僅對管架進行橫向計算，縱向計算僅憑經驗對基礎進行適當放大。

3.3三維空間有限元分析模型

該計算方案采用STAADPRO/SSDD有限元計算軟件進行空間建模，經計算得到結果。由SSDD對管架結構進行規范驗算。在結果中抽取具有代表性的6軸（帶空冷不打撐），7軸（帶空冷打撐），10軸（不帶空冷不打撐）構件檢驗結果及柱底反力，用于與采用PK平面模型所得計算結果進行對比。

3.4結果對比

將PK-STS和STAAD軟件計算結果進行對比，分別見表1、表2。

根據表1～2中數據，可以看到日常設計工作中兩種計算模型對相同的單體設計存在一定的差異。根據對比的結果，歸納為以下幾點：

表1　構件應力比對比

表2　柱底反力對比

（1）結構構件計算差別：由對比結果可以明顯看出兩種模型中橫梁應力比（整體穩定應力比）具有明顯的差別。在工程實際中，管架橫梁上部與管道存在連接關系，對橫梁的整體穩定有利。對于柱構件來說，二者計算結果基本相近，STAAD模型由于考慮了兩個方向的受力，更接近工程實際。

（2）柱底反力計算差別：由以上結果可以看出在不打撐的部位，計算結果差別不是很大，根據STAADPRO計算結果設計的基礎略大于PK-STS計算得到的基礎。在打撐的位置二者得到柱底反力有較大差別。由于STAADPRO中考慮了支撐對結構柱底反力的影響，比較接近工程實際，而在實際設計工作中，由PK得到結果在有支撐處基礎的適當放大也是符合這一計算結果的。

4　結束語

通過二種不同的計算模型的對比，我們可以看出三維模型的計算結果更接近于工程實際，但是建模過程相對復雜，設計效率一般。但是在有支撐位置的基礎計算中可以提供有力的數據支撐，保證基礎計算的合理性。因此在日后的設計工作中，對于復雜結構采用三維空間有限元分析模型進行分析是合理的。

［1］ SH/T3055—2007《石油化工管架設計規范》［S］.

收稿日期：2016-05-08

作者簡介： 包凱（1986—），男，吉林長春人，工程師，主要從事石油化工行業建構筑物結構設計工作。

Contrast the Plane and Space Model Calculation of Steel Pipe

Bao Kai

The rack structure is a common petrochemical engineering design structures，is an important way between the device and the apparatus between the monomers，building structures and equipment connected to each other.In the daily work of the structural design，the tube frame structure generally planar model，with STAADPRO and other finite element software promotion in the design work，three-dimensional finite element model of the actual design work，with a strong operational two analysis models were used to calculate the actual engineering，and model comparison for designers to reference in the future design work.

stringer type pipe rack；plane calculation；space calculation

U213.4

A

1003-6490（2016）05-0025-02

2016-05-12

郭亮（1981—），男，廣東珠海人，助理工程師，主要從事石油化工及危險化學品行業應急救援和安全監管工作。