地面火炬筒體支撐立柱的結(jié)構(gòu)受力分析計算

營 瑩 吳 敏

(中國船舶重工集團有限公司第七一一研究所，上海 201108)

1 概述

火炬排放裝置是用來搜集和處理石油化工生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣的，是煉化企業(yè)安全排放系統(tǒng)的一個重要組成部分。按類型大體可分為地面火炬和高架火炬。隨著近些年煉油裝備制造技術(shù)的發(fā)展，煉化企業(yè)采用的火炬系統(tǒng)也在發(fā)生著變化，從原來最初普遍應用的高架火炬到如今地面火炬和高架火炬的同步應用(如圖1所示)。相對高架火炬存在的安全穩(wěn)定性差，檢修困難，安全防護距離長等問題，國內(nèi)已經(jīng)開始使用地面火炬設(shè)施。相對高架火炬，地面火炬具有占地面積小，燃盡率高，檢修方便，無光污染，噪聲低，熱輻射小等特性，越來越多的得到了推廣應用[1,2]。

在石化行業(yè)很多的項目里，有很多地面火炬，在地面火炬的結(jié)構(gòu)設(shè)計中常會遇到一個問題：設(shè)備工藝提資是整個火炬筒體的力，而做結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要對支撐筒體的立柱進行配筋，那如何把整體的火炬體受力分配到各個立柱，繼而對立柱進行配筋計算，是需要重點考慮的問題。本文針對地面火炬結(jié)構(gòu)做了MIDAS/GEN的數(shù)值模擬和理論計算，并對兩個結(jié)果進行比較分析。

2 工程概況及地質(zhì)情況

以某石化廠的地面火炬為例，筒體高28 m，設(shè)備工藝根據(jù)進氣量，設(shè)置了12根，截面為500×500混凝土立柱支撐，立柱高4 m，在筒體的外圍，有一圈標高7.5 m的混凝土防風墻。圖2為項目的立面圖。平面布置圖如圖3所示。

地面火炬立柱受力分析：

垂直力：

筒體重量+保溫重量=1 200 kN。

水平推力：

風載荷+水平地震載荷=275 kN。

彎矩(相對立柱頂面EL4.000):

風彎矩+地震彎矩=4 725 kN·m。

3 Midas/Gen數(shù)值模型的建立

3.1 基本假定及邊界條件

為簡化計算規(guī)模，保證運算結(jié)果的收斂，做出基本假定如下：

1)立柱的頂板，做剛性約束，剛性傳力，傳遞筒體上的荷載。

2)筒體和鋼筋混凝土立柱按線彈性材料考慮，各向同性。

3)立柱柱底的邊界條件，選擇D-ALL,R-ALL模型。

4)輸入荷載假定是荷載組合后的結(jié)果，減少由計算機的包絡(luò)和手算荷載組合的計算過程。

3.2 模型結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

對于這種不規(guī)則結(jié)構(gòu)，采用MIDAS[3-6]的GEN建模，模型如下：

輸入材料特性—建立單元模型—輸入邊界條件—添加荷載—荷載組合—運行—設(shè)計—查看結(jié)果—內(nèi)力—查看反力。圖4為根據(jù)平面布置和荷載布置建立的計算模型簡圖，上部筒體的力通過剛性連接布置，施加在一個點上。

圖5為運行后查看的內(nèi)力結(jié)果，反力簡圖，△表示反力內(nèi)力最大的點。圖6為運行后查看的反力內(nèi)力最小的點。

3.3 模擬結(jié)果

通過以上模擬計算，可以得出如下結(jié)果：

最大反力：

Fmax=273.5 kN;

Fmin=-63.5 kN。

正值表示壓力，負值表示拉力。在對柱配筋的時候要分別做受壓分析和受拉分析，取最大的配筋結(jié)果。

4 理論計算

受力簡圖如圖7所示，單位為kN。

按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》8.5.4[7]和《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》5.1[8]，對立柱頂，筒體的受力包括豎向力和水平力按照以下公式分配：

1)豎向力。

偏心荷載豎向力作用下分配到每個立柱上的豎向力按力學公式計算:

其中,N為豎向力荷載代表值，包括筒體自重等材料自重；n為立柱的個數(shù)；Mx為作用于柱頂?shù)膞方向的彎矩；My為作用于柱頂?shù)膟方向的彎矩；x為立柱的中心到火炬筒體形心的x向的距離；y為立柱的中心到火炬筒體形心的y向的距離；

2)水平力。

其中，V為水平力荷載代表值，包括風荷載和水平地震荷載；n為立柱的個數(shù)。

假設(shè)1：先以圓心為中心，

Fmax=267.67 kN；

Fmin=-67.67 kN。

假設(shè)2：若以圓邊緣為中心，最遠處點：

Fmax=100+113.8=213.8 kN;

Fmin=-13.8 kN。

最近處點：

Fmax=100+2=102 kN；

Fmin=98 kN。

綜上以圓邊緣為中心：

Fmax=100+113.8=213.8 kN;

Fmin=-13.8 kN。

綜上所述：以圓心為中心的起控制作用。

對此項目來說就是:

Fmax=267.7 kN;

Fmin=-67.7 kN。

5 結(jié)果分析

理論計算的結(jié)果是：

Fmax=273.5 kN;

Fmin= -63.5 kN。

對軟件計算跟理論結(jié)果進行對比計算后得到，最大值相差2.1%，最小值相差6.2%，誤差在工程計算可接受范圍之內(nèi)。

6 結(jié)語

通過以上軟件計算和理論計算的對比，將軟件計算和理論速算的結(jié)果進行了分析對比，最大受力偏差2.1%，最小受力偏差6.2%，可以進行相互替代。本文結(jié)論可以作為地面火炬結(jié)構(gòu)設(shè)計案例參考，在遇到此類問題時可通過以上兩種方式處理，得出柱腳反力后，就可以對立柱進行拉、壓、彎、剪受力分析，進而對立柱及以下基礎(chǔ)，進行配筋等結(jié)構(gòu)設(shè)計。