空冷器鋼結構構架的設計應用分析

李明鑫

摘? 要：空冷器具有節能減排、經濟效益突出的優點，在國內外諸多缺水地區具有廣泛應用。考慮到空冷器鋼結構作為核心支撐部件，對整個設備的抗風效果、抗震效果等有直接影響，相應空冷器構架的設計必須引起足夠重視度。新時期，空冷器鋼結構的設計工作逐漸完善，大跨度構架支撐的應用日趨增多，相應的構架載荷設計工作難度增加。文章針對鋼結構構架的設計應用進行了詳細探討，結合受力模型、內力計算等進行了分析，提出構架設計的重點注意事項。

關鍵詞：空冷器;鋼結構;構架設計

中圖分類號：TU72? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）21-0097-02

Abstract： Air cooler has the advantages of energy saving， emission reduction and outstanding economic benefits， so it is widely used in many water shortage areas at home and abroad. Considering that the air cooler steel structure， as the core supporting component， has a direct impact on the wind resistance and seismic effect of the whole equipment， enough attention must be paid to the design of the corresponding air cooler frame. In the new period， the design of steel structure of air cooler is gradually improved， the application of long-span frame support is increasing， and the corresponding frame load design is more difficult. In this paper， the design and application of steel frame is discussed in detail， and combined with force model and internal force calculation， several key points for attention in frame design are put forward.

Keywords： air cooler; steel structure; frame design

前言

空冷式熱交換器是當下較為常見的換熱設備，應用中具有成本費用低、節水、污染小的優勢，在當下石油企業、煉化企業、電站企業中均具有較為廣泛應用。鋼結構構架是空冷器中的重要部分，多為空冷器供貨商制造設備。相比于空冷器的管束設計工作而言，鋼結構的優化設計更具靈活性，全面提升空冷器鋼結構設計的優化是新時期設計人員的重要工作。鋼結構設計工作的合理與否對整個項目的投資、結構安全性等都具有影響，可為空冷器制造商提供更加明顯的競爭優勢。

1 鋼結構構架設計特點及新型鋼結構的優勢

傳統空冷器的構架設計中，一般多采用兩跨三柱的模式，從縮減原材料開支的角度出發。新時期，空冷器構架設計中，可縮減中間支撐柱作用，不但實現了材料費用的縮減，同時可為下部區域提供更加廣闊的空間，如圖1所示。這一優化設計可明顯提高后續操作維修的便利性。工程實踐經驗表明，中間立柱的縮減，可降低空冷器對土建基礎方面的過多限制，整個操作更具合理性，工藝設計便利度明顯提升。

一般空冷器構架材料主要采用工字鋼、斜撐多為雙角鋼。新時期，構架立柱的桁架、腹桿等均借助H鋼設計。其優勢總結分析如下：第一、加工成本低、焊接工作量縮減，明顯降低了施工周期的影響，整體制造更具合理性、便捷性。第二、雙角截面鋼的防腐處理中，借助H型鋼進行設計，后續防腐效果有所提升，可提高設備的耐用性、穩定性。高溫環境、高壓環境下更具優勢。空冷器一般應用于高溫、腐蝕性的環境中，環境中存在大量酸性氣體，極易對鋼結構產生腐蝕作用。借助新型鋼結構模式，空冷器的整體抗腐蝕性能有所改善。第三、H型鋼使用中，可保證塑性變形、截面特性等不受影響，在特大陣風、甚至臺風的狀況下，整體設備仍具有較高的抵抗力。綜上，新時期，構架設計工作更加完善，整體優勢突出，經濟效益較為明顯。

2 結構設計分析

2.1 鋼結構構架的設計軟件

空冷器構架的STS軟件，該設計主要是借助中國建筑科學研究院開發的STS軟件進行處理。這一鋼結構設計軟件在使用中，可快速完成鋼結構的模型輸入、結構設計、應力分析、構建驗算等操作，在節點設計和施工圖設計處理中具有較為顯著的優勢。該軟件在鋼桁架、多層框架、支架、框架結構中均具有成熟應用案例。STS軟件使用中，可依托在現有平臺方面進行處理，相關平臺一般設置了較為完善的型鋼材料庫。庫內包含型鋼截面、結構組合截面、焊接截面等諸多形式。借助STS軟件，可快速完成結構模型的搭建，在復雜空間環境中具有明顯的適用性。

2.2 承載力和變形的設計分析

借助STS軟件處理，經由二維建模處理，可快速實現活載荷輸入、構建內部計算、外部分析計算、截面優化處理等。整體結構設計工作更具便捷性。空冷器構架的形式一般具有一定的規律性，可將其進行簡化處理，針對平面框架等進行計算，保證設計精度滿足對應規范要求、工程要求即可。

2.2.1 桿件的輸入

借助STS框架模塊進行處理，便可完成平面框架結構的計算，進而開展對應設計工作。上述模塊可針對梁、柱完成輸入處理。前者包括剪切變形、彎曲變形的影響，但是并未考慮桿件影響;后者則充分考慮了軸向、剪切、彎曲三方面的作用。從中可以看出，STS軟件進行平面框架模塊分析后，可快速完成空冷器構架橫梁的設計，在腹桿、弦桿處均可進行輸入處理，從而快速得到變形、內力作用結果。

2.2.2 桿件長度的設計

為了進行構架結構承載力的確定，必須及時對桿件長度進行合理設計，一旦長度輸入存在缺陷，整個構架的結構設計便會埋下重大隱患。桿件長度的設計中，必須嚴格遵照GB50017內容。相關設計人員可在STS中進行計算長度的輸入，軟件經由橫梁、立柱剛度、相對效果等信息進行平面內外長度的分析，并得到相應結果。

2.2.3 載荷處理分析

在鋼結構設計中，恒載荷、活載荷必須與實際情況相符。一般不會發生活載荷當做互斥載荷輸入的狀況。STS載荷組合環節中，一般不會出現互斥載荷被組合在一起的狀況。經由軟件相關功能的使用，一般可自動添加風載荷的作用，由于空冷器構架均為室外布置，在進行立柱風載荷分析中，應盡量采用手動添加處理，上述操作與實際情況將更為貼近。

2.2.4 約束條件

借助STS軟件，設計人員可借助鋼接、鉸接等進行約束處理，保證節點輸入結果與實際情況一致即可。

2.2.5 計算結果的分析與處理

經由STS結果展示功能，設計人員在輸入相關參數、約束條件后，便可得到結構簡圖。然后便可進行截面尺寸、載荷數值的校核。計算后，經由軟件可完成結果的全面展示，結果中一般包含載荷組合后的圖紙、載荷作用影響下的結構位移等。借助上述結果便可快速進行鋼構架設計合理與否的全面判斷。

2.3 抗震計算

中國作為地震多發地區，在空冷器鋼構架的設計中，必須充分提高鋼結構的抗震效果。對空冷器設備而言，一般并非單獨存在，抗震設計中必須充分考慮平臺高度、平臺頂端等部件的影響。為此，鋼構架抗震性能計算中，要充分考慮土建平臺結構的作用，結合其整體效果進行分析。

首先，經由STS軟件，完成空間模型的構建，結合對應框架結構完成三維模型的初步構建。模型搭建中，可結合具體參數完成下部混凝土結構的輸入，而上部空冷器構架則要借助斜撐、橫梁等完成輸入。其次，載荷的輸入，恒載荷要結合具體情況進行實際條件的輸入，活載荷則要考慮風機等動設備的影響。考慮到構架、下部混凝土結構等均為開敞條件，在模型處理中，需人工手動輸入風載荷數值。

其次，地震參數的輸入。鋼構架設計中，要結合項目所在地、當地勘測條件等進行抗震設防要求的確立。同時相關設計人員要充分考慮阻尼比等對地震力的影響分析。為了保證鋼結構設計的合理性，在阻尼比設置中，一般可選擇0.04、0.045等數值。

最后，鋼結構計算結果的查看與分析。借助STS軟件，相關設計人員可進行扭轉偶聯振型分解法完成地震力的計算。結合鋼結構的下沉位移、振動周期等進行結果分析。保證應力比、混凝土配筋等結果的合理性。

2.4 構架設計注意事項

空冷構架設計中，必須結合框架結構進行分析和計算。STS軟件可充分應用系統各項功能完成自動處理。但是構架設計中，要結合下部條件、地震反應差異性等進行妥善控制。當借助整體模型進行分析計算時，STS一般不可進行活載荷互斥處理，可能無法模擬真實狀況。因此，需結合二者分別計算結果進行分析，方可得到最優化結果。

鋼結構構架在實際應用環節中，需充分考慮制作誤差、安全問題等狀況的發生。為了降低預制環節偏差等導致的缺陷問題，降低現場安裝問題發生幾率。相關設計人員需加強對應問題的分析，必須及時進行螺栓定位的合理設計。也可借助焊接固定方法來提高安裝施工的合理性。在工程實際處理環節中，上述設計方法更具合理性、優勢突出，已經得到安裝人員的認可。首先，現場安裝中，可降低零部件加工誤差等導致的缺陷，彌補了加工缺陷，整體安裝速度、安裝質量等均有所提升，有效避免了定位不精細等帶來的危害。其次，鋼結構穩定效果有所提升，在空冷器投入使用后，由于鋼結構構架設計方面的優化，空冷器整體安全效果可得到較大保障。

3 結束語

空冷器具有較為廣闊的發展空間，本文結合鋼結構構架的設計要求、新型構架特點等進行了分析，提出當下構架涉及到具體流程、設計注意事項。空冷器進行設計中，必須充分考慮工藝要求、設備條件、土建影響等要素，從整體經濟效益出發進行分析。構架設計對空冷器的發展具有極大影響，是提高空冷器供貨商競爭實力的重要保障，必須引起足夠重視。國內諸多煉化企業已經投入了新型鋼結構模式，具有運行效果良好的優勢，值得同行人員進行借鑒。

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