淺析工業(yè)設(shè)備支撐體系方案優(yōu)化的思路

張國斌

【摘? 要】設(shè)備承重支撐體系是一種特殊的結(jié)構(gòu)形式，在我國工業(yè)項(xiàng)目中的應(yīng)用范圍越來越廣，設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)體系類似于民建鋼框架結(jié)構(gòu)、鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)體系。重型設(shè)備的支撐點(diǎn)主要集中在結(jié)構(gòu)體系的局部樓層，導(dǎo)致上下樓層質(zhì)量、剛度比例偏差較大，設(shè)備布置偏心，不滿足抗震設(shè)防要求[1]。隨著傳統(tǒng)工業(yè)的工藝技術(shù)不斷革新、新型工藝技術(shù)的發(fā)展、重型設(shè)備的出現(xiàn)，優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)承重支撐體系勢(shì)在必行。在滿足承載能力和使用要求的前提下，可打破常規(guī)規(guī)則與相對(duì)不規(guī)則結(jié)構(gòu)形式間的界限。依據(jù)結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)條件[2]、操作樓層和承重樓層分別設(shè)計(jì)的優(yōu)化思路，對(duì)降低鋼材用量、節(jié)約項(xiàng)目成本具有現(xiàn)實(shí)意義。鑒于此，論文主要對(duì)現(xiàn)階段工業(yè)承重體系的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，提出其承重鋼結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化的構(gòu)想和措施。

【Abstract】Equipment load-bearing support system is a special structural form that is widely used in industrial projects in China， and the equipment support structure system is similar to the steel frame structure of civil buildings and steel frame - braced structure system. The support point of heavy equipment is mainly concentrated in the partial floors of the structural system， which leads to large deviations in the mass and stiffness ratios of the upper and lower floors and the equipment is arranged off-center， which do not meet the requirements for earthquake fortification[1]. With the continuous innovation of process and technology in traditional industry， the development of new process and technology and the emergence of heavy equipment， it is imperative to optimize the steel structure load-bearing support system. Under the premise of meeting the load-bearing capacity and use requirements， the boundary between conventional regular and relatively irregular structural forms can be broken. According to the structural professional design conditions[2]， and the optimization idea of separate design of operation floor and load-bearing floor is of practical significance to reduce steel consumption and save project cost. In view of this， the paper mainly analyzes the advantages and disadvantages of the industrial load-bearing system at current stage， and proposes the concept and measures for the optimization of its load-bearing steel structure system.

【關(guān)鍵詞】設(shè)備支撐體系;方案優(yōu)化;工藝技術(shù);重型設(shè)備

【Keywords】equipment support system; scheme optimization; process and technology; heavy equipment

【中圖分類號(hào)】TB491? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2021）04-0120-02

1 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的增長，工業(yè)企業(yè)迅速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)用量越來越大。工藝條件不斷改進(jìn)和技術(shù)加速革新，大型承重設(shè)備支撐體系方案形式多種多樣，不同的設(shè)計(jì)單位所設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)支撐形式和思路各不相同，暴露出方案設(shè)計(jì)方面的許多缺點(diǎn)和不足。鋼構(gòu)件截面形式主要有H型鋼、箱型鋼、T型鋼及組合截面形式等，鋼材強(qiáng)度高，相對(duì)砼構(gòu)件，截面穩(wěn)定性差。不同截面布置形式，抗扭、抗彎性能不一樣。所以設(shè)計(jì)者應(yīng)與工藝人員充分協(xié)調(diào)溝通，優(yōu)化工藝設(shè)備布置，主要包括：特重設(shè)備宜布置在支撐體系的底層樓面且居中布置;調(diào)整工藝管道和設(shè)備布局盡量使框架承重體系保持整體統(tǒng)一，優(yōu)化每一個(gè)構(gòu)件，使構(gòu)件之間內(nèi)力和變形協(xié)調(diào)一致，減少應(yīng)力突變;將承重部位構(gòu)件與結(jié)構(gòu)的最佳受力狀態(tài)充分發(fā)揮，提高結(jié)構(gòu)的延伸性和整體性，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體剛度和與施工抗傾覆能力;調(diào)整樓平面布局，使結(jié)構(gòu)的平面的質(zhì)量中心與外力作用中心最大化地重合，減小偏心，防止受到外力影響，使得結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。結(jié)構(gòu)承重體系的優(yōu)化必須將結(jié)構(gòu)承受荷載與相應(yīng)內(nèi)部應(yīng)力現(xiàn)象通過簡單的形式標(biāo)注。所以通過研究結(jié)構(gòu)體系承重部位、結(jié)構(gòu)整體布置、材料強(qiáng)度應(yīng)用、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、地理環(huán)境等設(shè)計(jì)要素來實(shí)現(xiàn)構(gòu)件應(yīng)力等結(jié)構(gòu)最輕設(shè)計(jì)方法，通過軟件多次迭代計(jì)算[3]，優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案體系，具有現(xiàn)實(shí)意義。

2 承重結(jié)構(gòu)體系方案優(yōu)化的思路

2.1 底部樓層布置重型設(shè)備的支撐框架形式優(yōu)化思路

對(duì)于支撐體系框架，重型設(shè)備支座處，設(shè)備荷載和樓層質(zhì)量最大，承重層以上多層僅為操作檢修荷載，質(zhì)量較小，上下層質(zhì)量比相差大。外荷載主要集中在承重層，樓層水平地震作用的上下分布極為不均。為了滿足框架樓層抗剪承載力不突變和構(gòu)造要求，上下樓層各豎向抗側(cè)力構(gòu)件截面尺寸偏差不能過大，否則不能滿足《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的結(jié)構(gòu)體系規(guī)則性要求[4]，對(duì)于其他承受水平力較輕，檢修操作層的立柱截面尺寸相對(duì)過大，造成材料成本浪費(fèi)。

當(dāng)前，應(yīng)打破常規(guī)設(shè)計(jì)思路，滿足大震不倒理念;增強(qiáng)承重支點(diǎn)部位以下抗側(cè)剛度;保證結(jié)構(gòu)體系的整體抗傾覆力矩;滿足承重部位各構(gòu)件的彈性承載力要求;使操作檢修層的部分構(gòu)件塑性變形并滿足使用要求。具體優(yōu)化思路包括：因承重層的梁柱節(jié)點(diǎn)處框架梁截面尺寸較大，梁線剛度遠(yuǎn)大于柱，不能滿足強(qiáng)柱弱梁要求[5]，在巨大水平力作用下，柱端容易發(fā)生塑性變形而屈服，引起結(jié)構(gòu)整體傾覆。以承重層為分界面，上下采用兩種結(jié)構(gòu)體系模式，承重層框架梁采用梁貫通形式，上部各層為樓層檢修荷載，其各層質(zhì)量均勻，無質(zhì)量突變，采用框架結(jié)構(gòu)體系。下部為主要承重抗側(cè)力體系，且質(zhì)量主要集中在承重層，下部采用框架-支撐結(jié)構(gòu)體系，豎向構(gòu)件不滿足抗側(cè)力的方向均設(shè)豎向支撐。這種混合結(jié)構(gòu)模式，增大主要承重部位豎向構(gòu)件截面尺寸，減小次要操作層構(gòu)件截面尺寸，既節(jié)約鋼材，又降低工程成本，而且施工安裝方便，在承重體系優(yōu)化方面具有借鑒意義。

2.2 結(jié)構(gòu)樓層平面體系和選材優(yōu)化思路

大多數(shù)室外露天工業(yè)承重結(jié)構(gòu)體系的樓層面均采用鋼格柵板，格柵板對(duì)樓面次梁平面外約束忽略不計(jì)。滿足工藝設(shè)備布置和檢修操作的要求，盡量簡化布置次梁，并設(shè)置樓面水平斜支撐，增加樓面剛度，節(jié)約鋼材。改變相鄰樓面次梁布置方向，適當(dāng)增設(shè)垂直于跨度較大次梁間短次梁，調(diào)整樓面剛度，節(jié)約資源，一般情況下，樓面次梁間距宜按2～2.5m布置，比較經(jīng)濟(jì)。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)，就是構(gòu)件材料的組合和選擇，充分利用材料的受力性能和截面屬性。不同強(qiáng)度等級(jí)的鋼材，如Q235和Q355的組合比較多[6]，一般情況下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度要求高，而穩(wěn)定性要求低的部位，宜選用Q355材質(zhì);穩(wěn)定性要求高，而強(qiáng)度要求低的部位，宜選用Q235材料。鋼結(jié)構(gòu)承重體系的次要構(gòu)件，一般以Q235鋼材為主。結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化的實(shí)質(zhì)就是設(shè)法使各構(gòu)件的布置滿足各方向外力的明確傳力途徑，減少外力傳遞途徑，使力的傳遞少走彎路;通過軟件的反復(fù)試算，使每個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力變形合理均衡;最終使結(jié)構(gòu)體系安全、經(jīng)濟(jì)、美觀、可靠、合理，使工程項(xiàng)目降低成本、節(jié)約鋼材。

3 支撐體系優(yōu)化的前提

3.1 了解承重結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)在特征

不同的結(jié)構(gòu)承重支撐體系方案，優(yōu)化和設(shè)計(jì)的方向、思路不一樣。宜從以下幾個(gè)方面考慮認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)：項(xiàng)目設(shè)備的噸位和立臥方位、支吊點(diǎn)部位、結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的連接方式、結(jié)構(gòu)體系形式、支撐框架的作用、現(xiàn)場(chǎng)施工運(yùn)輸要求、安裝加工方式。依據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)和支撐體系的作用，進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化和調(diào)整措施。例如，重型高位設(shè)備的支撐框架，其主要特點(diǎn)是設(shè)備外荷載質(zhì)量主要集中在框架的局部，地震引起框架局部水平力太大，結(jié)構(gòu)體系整體受力不均勻，抗震概念要求很難滿足。不同的結(jié)構(gòu)體系，其本身特點(diǎn)和要求不一樣。著重考慮和優(yōu)化水平力傳遞路徑及次梁的不同方位布置形式，提高抗側(cè)高度和抗傾覆力矩。

3.2 了解結(jié)構(gòu)優(yōu)化的外在影響因素

設(shè)備支撐體系，不能等同于《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的民建結(jié)構(gòu)體系形式，其樓層高度和恒荷載質(zhì)點(diǎn)隨工藝要求不同而不同。各層高度和樓層質(zhì)量各不相同，且大多數(shù)工業(yè)支撐結(jié)構(gòu)均為無維護(hù)體系的露天結(jié)構(gòu)，受高溫設(shè)備、高溫管道、震動(dòng)荷載、熱輻射、火災(zāi)等環(huán)境因素影響很大。結(jié)合項(xiàng)目工藝設(shè)備具體要求，不能僅依靠軟件的內(nèi)力計(jì)算確定構(gòu)件的布置和截面形式，還宜綜合考慮結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)形式、場(chǎng)地特征、地震烈度、室外工作溫度、風(fēng)雪影響和周圍其他裝置危險(xiǎn)級(jí)別等進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。

4 結(jié)論

承重支撐體系鋼結(jié)構(gòu)是現(xiàn)階段工業(yè)項(xiàng)目中支撐重型設(shè)備普遍運(yùn)用的特殊結(jié)構(gòu)支撐形式，不同于民建結(jié)構(gòu)體系中的鋼框架結(jié)構(gòu)、鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)等形式，越來越被行業(yè)所關(guān)注。該結(jié)構(gòu)體系有其自身的特殊性，其層高不同，樓層載荷不同，作用不同，主要荷載質(zhì)量集中支點(diǎn)不同，需要設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)其不斷地研究和設(shè)計(jì)優(yōu)化。現(xiàn)階段，行業(yè)人員沒有完全具備設(shè)備支撐體系框架結(jié)構(gòu)的理念，技術(shù)的應(yīng)用還不夠，與民建結(jié)構(gòu)體系混淆不清。因此，需要設(shè)計(jì)人員具備工業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐和理念，依據(jù)項(xiàng)目工藝條件和化工設(shè)備支撐體系的自身特點(diǎn)，合理進(jìn)行支撐體系方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，即特重設(shè)備的支撐，采用兩種結(jié)構(gòu)體系的組合形式，完善設(shè)計(jì)流程，熟悉項(xiàng)目環(huán)境和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件合理受力，傳力路徑明確，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)的健康發(fā)展，優(yōu)化支撐方案體系，節(jié)約材料，最大化地提高工業(yè)行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

【參考文獻(xiàn)】

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