淺談鋼結構冷換框架支撐的設計

陳紹婷

摘要：在石化項目中，經常會遇到一些冷換框架，基本用于支承冷卻設備、換熱設備、臥式容器設備以及在框架頂層設置有空氣冷卻設備的鋼結構框架。當運用結構設計軟件PKPM進行抗震計算時，必須通過合理而又準確的結構形式，從而保證框架結構的強度和穩定。本文總結了已經做過的冷換框架的情況，對結構的方案設計、荷載輸入、地震作用計算以及不同結構類型支撐的設計分析等幾個方面進行了闡述。

Abstract： In petrochemical projects， some cold exchange frames are often encountered， which are basically used to support cooling equipment， heat exchange equipment， horizontal vessel equipment and steel frame with air cooling equipment at the top of the frame. When the structural design software PKPM is used for seismic calculation， reasonable and accurate structural form must be adopted to ensure the strength and stability of the frame structure. This paper summarizes the situation of the cold exchange frame that has been done， and expounds the structural scheme design， load input， earthquake action calculation and design analysis of different structural types of supports.

關鍵詞：冷換框架;地震作用;抗震驗算;結構分析

Key words： cold exchange frame;earthquake action;seismic check;structural analysis

中圖分類號：TQ050.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）27-0096-02

0? 引言

石油化工行業中的建、構筑物的設計的首要任務是滿足生產工藝的生產需求，而土建是設備、工藝管線的支撐和基礎。尤其是用于支撐各類設備的鋼結構冷換框架結構，在結構設計方面也存在其特殊性。由于冷換框架支承設備的特殊性，其承受的荷載具有多樣性，所產生的水平荷載較大，為保證結構的安全以及工藝要求，冷換框架。因此冷換設備框架常采用框架-支撐結構形式，增加抗側力的剛度，以適應各種情況的出現。本文主要通過具體工程實例的計算，對此進行了詳細的對比介紹。

1? 工程背景

1.1 項目概述

本工程為陜西省榆林地區某煉油廠裝置技術及配套設施改造項目中，連續重整裝置中的SS2冷換框架。

1.2 自然條件

根據項目工程場地地震安全性評價報告規定，相應于設防烈度的設計基本加速度為0.05g，地震設計特征周期為0.35s，抗震設防烈度為6度，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為II類。框架的安全等級為二級，抗震設防類別為丙類，結構抗震等級為四級。基本風壓值取0.4kN/m2。

1.3 設備、布置條件

本工程框架頂標高20.500m，局部坐標為26.200m;框架結構平面尺寸為31m×8.7m，縱向5跨，橫向1跨;框架上7.000m平臺上支撐5臺臥式容器，2臺換熱器;14.500m平臺上支撐5臺換熱器;20.500m平臺上支撐有3臺空冷器;局部坐標為26.200m的平臺上支撐1臺換熱器。臥式容器和換熱器通過設備支座與支撐梁連接;空冷器通過采用地腳螺栓的形式，與框架柱頂部直接連接，局部與支撐梁連接。

2? 荷載及地震作用

2.1 荷載分類

依據規范要求，冷換框架上的荷載可分為永久荷載、可變荷載。永久荷載包括結構自重、設備及管道自重、設備及管道保溫層重;可變荷載包括設備操作介質重，設備充水重，空冷器風機和電機的當量荷載，平臺均布活荷載，風荷載。框架上支承的設備不同，其荷載形式也有所區別。例如，冷換設備在計算時必須考慮的一項可變荷載就是停產檢修時的抽芯力，但與其他可變荷載相比，抽芯力具有作用持續時間很短、兩次作用之間的間隔時間較長的特點。因此，嚴格的講，抽芯力是有別于諸如樓、屋面活荷載、風荷載等可變荷載的一種荷載，因此其在檢修工況下進行荷載組合時，相應的組合值系數及分項系數是有所區別的。

2.2 地震作用

《抗規》指出，6度時的建筑符合有關抗震措施，可不進行截面抗震驗算，但對于冷換框架，由于存在重量較大的設備，將會造成各樓層重力荷載代表值較大，且存在各層質量比較大，即便是在6度區，其所產生的地震作用不容忽視，必須進行地震作用計算及抗震驗算，并采取相應抗震措施。

2.3 風荷載

結構的風荷載應包括梁、柱、斜撐、欄桿和設備所承受的風荷載。計算風荷載時應考慮前后每榀框架、前后設備之間的相互遮擋。計算臥式設備時應考慮設備支座的擋風面積，設備的風荷載體形系數，沿臥式設備縱向取1.3，沿單放設備橫向取0.7，沿疊放設備橫向取1.2。并且需要考慮設備風荷載產生的彎矩對設備梁及框架的影響。

2.4 荷載組合

冷換框架設計的荷載效應組合常存在四種工況：正常操作工況、停產檢修工況、充水試壓工況和地震工況。在工業生產過程中，在不同的工況下，對不同的構件產生最不利組合，因此，往往要對各工況進行詳盡分析，尋找出最不利組合。利用PKPM進行計算工業構筑物時，應對各工況的進行自定義組合，并注意各種工況下荷載分項系數及組合值系數的調整：①操作介質重的分項系數，對結構不利時取1.2，對結構有利時取1.0，組合系數為1.0;②空冷風機和電機的當量荷載，分項系數為1.3，組合系數為1.0;③充水荷載，分項系數為1.1，組合系數為1.0。

冷換框架的荷載效應組合詳見表1。

3? 結構分析

工業構筑物中，常采用純鋼框架結構、框架-支撐結構等結構形式，對于冷換框架這種為設備服務的結構形式，常采用框架-支撐結構形式，其相較于純鋼框架結構形式有其明顯的優勢，以下通過兩種不同結構形式的模型建立及其計算分析所碰到的問題做了介紹，并對這兩種不同結構形式進行了對比：

3.1 計算模型

3.1.1 框架-支撐結構

由于冷換框架上設備較多，并且頂部有空冷器，為了生產操作更方便，設備梁需要縱向布置，框架橫向布置成框架-支撐體系，因此，框架柱的布置方向為沿縱向是強軸方向。眾所周知，在支撐-框架體系中，增設X撐的框架-支撐結構體系其抗側剛度優于人字支撐-框架體系，但是考慮到管道布置的因素，X撐常與管道布置發生沖突，因此本工程選用人字支撐-框架體系。

在模型建立時，針對冷換框架結構特殊性，需要注意以下幾個方面問題：

①柱間支撐的計算長度，平面內底層為L，其他層為0.8L;平面外底層與其它層均為L，其中L為支撐平面內、外的幾何長度;支撐的長細比，受壓為150，受拉為300，根據工程實踐經驗，此項目中，長細比控制在200;

②柱的計算長度，平面內為強軸方向，未打撐，由軟件通過有側移計算得出，平面外為弱軸方向，有柱間支撐，根據《抗震規范》及《石油化工鋼結構冷換框架設計規范》要求，層間相對位移與層高之比值不宜大于1/250，按照無側移結構計算，長度系數取1.0;

③建模時，盡量使結構布置簡單明了，除框架梁以外，只需要布置設備支撐梁及必要的平臺梁，并且如果設備梁上有水平操作荷載，需要單獨驗算此梁平面外強度及穩定性;而在實際施工中，通常在安裝大型設備的兩個支撐梁之間，垂直增加一根或兩根此梁，以便相互約束，避免設備梁發生扭轉;

④梁柱連接節點采用雙向剛接的焊接節點，等強連接，通過大量經驗表明，等強連接既能保證強度要求，又能為方便后期施工圖繪制，提高效率;柱間支撐節點同樣選擇等強連接，并根據《抗震規范》乘以1.2的連接系數。

3.1.2 框架結構

這種方法是直接建立鋼結構框架模型，模型中并不包含柱間交叉支撐，即在計算中不考慮柱間支撐對結構抗側力性能的影響。

3.2 設計結果對比

通過使用PKPM軟件分別對兩種結構形式進行計算，通過對：水平荷載作用下頂層側向位移及位移角;地震荷載作用產生底層最大剪力;構件驗算;振動周期與扭轉角度，進行對比可知：

①冷換框架結構中，柱間支撐在抵抗側向力時，發揮重要作用;增加柱間支撐，能有效減小頂層位移與位移角; ②增加柱間支撐，能有效地將構架上的荷載，傳至框架柱底層，直接作用在基礎上，將不再對框架柱造成過重的負擔，也能減小框架柱截面;③冷換框架結構中，在承受設備荷載的框架梁下增加柱間支撐，能有效減小框架梁的應力及撓度，提高框架梁整體穩定性;當框架不設支撐時，為了滿足承載力要求粱、柱的截面都需要很大，因此會造成浪費，并且加支撐比增加粱、柱的剛度更為有效;④框架-支撐結構，振動周期小，并且扭轉的角度很小，能更好的滿足冷換框架的變性要求，避免由于扭轉過大，框架上設備所產生的附加荷載對結構造成不良影響。

4? 結論

本文通過冷換框架結構的工程實例，介紹了該結構在計算中所存在的注意事項，并進行了相應的結構分析，對今后的工程設計起到了一定指導作用。

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