兩種設備導荷方式的高層鋼結構框架計算結果對比

索 倫

（中國石化工程建設有限公司，北京 100101）

石化裝置中常見的靜設備分為換熱器、容器（立式、臥式）、塔器等，在結構計算建模的過程中，一種方法是利用計算表格算出設備在正常操作、充水試驗等工況下的支座反力標準值，以集中荷載或者均布荷載的形式手動輸入施加在計算模型中的設備支撐梁上，并以導算拉壓力和水平力的方式輸入設備風荷載、設備地震荷載以及設備抽芯力。PKPM 系列從V4.3 版本開始增加了工業設備模塊，分為立式設備、臥式設備以及空冷設備，程序會將輸入的設備信息傳遞給計算模塊，進行分析、拆分和導算等工作[1]。本研究結合某石化裝置的反應框架，采用工業設備模塊和采用手動輸入導算設備荷載兩種設備荷載輸入形式，對同一高層鋼結構框架的結構計算結果進行了對比與分析。

1 工程概況

某石化裝置反應框架，采用鋼框架-支撐結構，基礎采用樁基基礎。北側和東側附屬管廊，該單元長58.5 m,寬52.5 m,高63.8 m，最大跨度13.5 m。框架上的主要重型設備：3 臺較重的臥式容器R-304B（標準層3）、R-305B（標準層5）、R-306B（標準層5），單臺最大操作重840 t，充水重1 022 t；T-320 塔支撐層所在標高為40.1 m（標準層13），操作重1 036 t,充水重1 546 t，采用桁架形式的設備梁支撐。EL129.000 層（標準層9）與EL133.000 層（標準層10）有大量管線應力荷載，最小10 t,最大54 t。

主體框架部分采用箱型柱，D-320 塔周圍的6 根箱型主柱截面尺寸為650×650×50×50，其余主框架箱型柱截面尺寸采用550×550×50×50；附屬的兩條管廊柱截面尺寸采用焊接H 型鋼WH450×450。主體框架梁柱采用雙向剛接，兩個方向均布置垂直支撐；兩側附屬管廊的梁柱采用強軸剛接弱軸鉸接的連接方式。管廊縱向，即柱弱軸方向隔跨布置垂直支撐。主要設備支撐層，在設備周圍布置水平支撐，在南側突出的管廊層，各層布置水平支撐，限制其扭轉變形。

工程設計參數：基本風壓0.4 kN/m2；地面粗糙度：B類；抗震設防烈度7 度（第一組）；設計基本地震加速度為0.15 g（g 為重力加速度）；αmax=0.127(安評報告)。

根據GB 50453-2008《石油化工建（構）筑物抗震設防分類標準》[2]表5.0.3，高懸重心的設備框（構）架及非規則框（構）架，抗震設防分類為乙類，抗震設防類別提高一度，根據SH 3147-2014《石油化工構筑物抗震設計規范》[3]第9.1.1 條，抗震等級取為二級。根據GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》[4]（以下簡稱“抗規”）條文5.1.1，該框架質量和剛度分布明顯不對稱，應計入雙向水平地震作用下的扭轉影響。在軟件分析和設計參數補充定義中，地震信息應勾選考慮雙向地震和偶然偏心。后續查看計算結果時，還應關注兩個偏心方向的計算結果。

2 計算模型

根據設備荷載輸入方式的不同，搭建兩個計算模型，模型1：使用軟件自帶的工業設備模塊，在石化設備定義中輸入設備信息進行自動導算；模型2：借助excle計算表格，將不工況設備荷載以線荷載形式手動輸在設備支撐梁上。其中，工業設備模塊中由于臥式設備沒有提供充水水重的輸入，故兩個模型中均采用手動形式輸入臥式設備充水水重。兩種形式的結構三維計算模型見圖1 和圖2。其中，計算模型2 補充自定義工況：設備+X風、設備-X 風、設備+Y 風、設備-Y 風、設備充水水重、介質重、設備X 地震和設備Y 地震。總信息參數設備重，勾選“執行通用規范2021 版”，結構體系選擇鋼框架-支撐結構體系。

圖2 模型2（手動輸入荷載）

3 結構分析

采用SATWE 對本工程結構進行整體彈性分析，對樓層振型周期、樓層最大位移、彈性層間位移角、剛重比進行對比與分析。當采用工業設備模塊導算設備荷載時，程序會將工業設備信息傳遞給計算模塊，并自動進行拆分構件、導算荷載，處理工況。軟件根據層高自動對立式設備進行切分；對臥式設備則按剛性桿連接傳遞到周邊梁上。而每個設備是獨立成塔的，主體結構也為一個獨立塔，故對模型1 結果進行分析時，主要考慮模型1的各層1 塔與模型2 進行對比。

3.1 振型周期

由表1 可知，模型1 和模型2 在彈性樓板假定下的前三階振型的周期均小于在剛性樓板假定下所對應的周期。模型1 在剛性樓板假定下的X 方向平動自振周期小于模型2 在該方向的平動自振周期；而在彈性樓板假定下，模型1 的X 方向平動自振周期卻略大于模型2。說明當使用程序自帶的工業設備模塊進行設備導荷時，在對強剛模型做整體分析時，當設備的質量和剛度都較大時，設備自身的剛度對結構周期有一定的影響，結構整體周期減小，結構剛度比模型2 略大。

周期比在一定程度上反應了結構布置的合理性，體現了結構的抗扭剛度的強弱。理論上，周期比越小，結構的抗扭剛度越大。表1 中，在彈性樓板假定下，模型1 的周期比與模型2 相近，說明以工業設備模塊形式輸入設備荷載的計算模型，抗扭剛度與以導算荷載形式輸入設備荷載的計算模型相差不大，設備剛度的搭入對結構整體抗扭剛度影響很小。在剛性樓板假定的條件下，模型1 的周期比大于模型2 的周期比，設備模型的建入對于扭轉為主的第一振型有較明顯的影響，降低了結構抗扭剛度。

表1 振型、周期以及周期比

根據《抗規》5.2.2 條,振型個數一般可以取振型參與質量達到總質量90%所需的振型數。模型1 的第1 地震方向EX 的有效質量系數為95.81%；第2 地震方向EY的有效質量系數為94.49%；模型2 的第1 地震方向EX的有效質量系數為96.61%；第2 地震方向EY 的有效質量系數為94.75%,參與振型數均滿足規范要求。

3.2 樓層最大位移

在查看樓層位移指標時，通常應在強剛模型計算結果中查看位移，但考慮到本工程實例屬于石化裝置的工業構筑物，鋼結構框架樓面的鋪板在無工藝特殊要求的情況下，通常采用鋼格柵板作為操作平臺鋪板。由于鋼格柵板的自身剛度較弱，對樓面梁很難形成有效約束，無法滿足剛性樓板假定。因此，宜查看非強剛模型下的位移計算結果，可以更客觀的反應出框架各層節點的真實位移。而強剛模型的位移計算結果則可以作為輔助判斷的依據。因此，在參數設置中勾選了“僅整體指標計算采用強剛模型計算”。

地震工況和風荷載工況下樓層最大樓層位見圖3、圖4。模型1 的最大樓層位移均大于模型2 的樓層最大位移，X 向地震工況最為不利；風荷載工況下，結構層間位移很小，這是由于本工程框架設備重量大，結構總質量大，風荷載工況不起控制作用。X 向地震工況、Y 向地震工況下，模型1 最大樓層位移分別為51.61 mm 和37.93 mm；模型2 最大樓層位移分別為45.52 mm 和28.82 mm。X 向風荷載工況、Y 向風荷載工況下，模型1最大樓層位移分別為16.39 mm 和10.42 mm；模型2 最大樓層位移分別為13.59 mm 和8.45 mm。

圖4 模型2（手動輸入荷載）

主要設備所在層為3、5、7、13 層，對比兩個模型的最大位移簡圖（見圖3、圖4）可知，兩個模型在相同工況下的樓層最大位移曲線的走勢有所差別。Y 向地震工況下，模型1 位移曲線在14 層-19 層發生突變，模型2 的位移增加趨勢相對平緩，說明設備模型的搭入對樓層位移有一定影響。

對比R-305B、R-306B 所在層設備支撐梁附近X向地震和Y 向地震局部節點位移，模型1 和模型2 差別不大，設置了水平支撐后，樓面剛度有所提高，兩種設備荷載輸入方式差別不大，相同節點最大位移差0.62 mm。

3.3 彈性層間位移角

JGJ 99-2015《高層民用建筑鋼結構技術規程》[5](以下簡稱“高鋼規”)3.5.2 節規定：在風荷載或多遇地震標準值作用下，按彈性方法計算的樓層層間最大水平位移與層高之比不宜大于1／250，兩個模型均滿足規范要求。模型1 和模型2 在X 向、Y 向地震工況以及X 向、Y 向風荷載工況下的最大彈性層間位移角計算結果見表2。

表2 最大彈性層間位移角

3.4 剛重比

結構的整體穩定是高層鋼結構設計的基本要求，結構由水平變形引起的重力附加效應稱為重力P-△效應。根據《高鋼規》6.1.7 條，框架-支撐結構，通過控制重力P-△效應不超過20%來保證結構穩定且具有一定的安全儲備[3]，結構整體穩定應滿足公式（1）。式中，EJd為結構一個主軸方向的彈性等效側向剛度,Gi為第i 層樓層重力荷載設計值（KN）,取1.2倍的永久荷載標準值與1.4 倍的樓面可變荷載標準值的組合值，H 為房屋高度。

由計算結果可知，模型1 的X 方向地震、Y 方向地震工況下的EJd/（GiH2）驗算值分別為22.37 和31.55；模型2 的X 方向地震、Y 方向地震下的EJd/（GiH2）驗算值分別為5.71 和8.04。由前述計算結果可知，兩個模型的剛重比EJd/（GiH2）均大于0.7，能夠通過《高鋼規》6.1.7 條的整體穩定驗算, 但采用工業設備模塊導算設備荷載的模型1 的剛重比約為模型2 的3.9 倍，差距較大。經試算分析，當把第13 標準層的D-320 塔設備模型移除，按照與模型2 相同的導入拉壓力形式輸入荷載重新計算，此時的X 方向地震和Y 方向地震剛重比分別為8.75 和10.3。說明穿層的塔型工業設備模塊對結構剛重比計算結果有較大影響，此處仍需要進一步研究分析。

4 結論

本研究對兩種不同荷載輸入形式的鋼結構計算模型的幾個基本計算結果指標進行了簡要分析，得到以下結論：（1） 以工業設備模塊導算設備荷載，對結構周期有一定影響：其中對兩個方向的平動周期影響不大，對以扭轉為主的振型周期影響較大。但也與所選則的設備模塊形式有關，本研究選擇將穿層塔設備模型搭入模型，導致此處的計算結果有明顯不同。（2） 本工程搭建了兩類設備，一類是臥式設備，另一類是穿層懸掛的立式設備。穿層立式設備模擬形式對剛重比結果也有較大影響，模型1 的剛重比數值與模型2 相比，異常的大，可能是由于設備模塊也是獨立成塔的，設備的分塔與主結構的主塔之間必然有會相互影響，故第二種模擬方式需要從樓層剛度、樓層的質量分布等方面展開進一步對比和分析。再搭建立式設備時，由于系統自動搭建支撐八字梁，故要求放置設備的位置必須為矩形方孔（四邊為設備支撐梁），若用戶想自行搭建八字支撐梁，則無法放置設備。對于本工程這類較大的穿層立設備，采用了桁架結構形式的八字支撐梁作為設備梁，采用設備模型模擬的形式是否可行，也需更繼續研究與探討，本研究受篇幅所限，僅起到拋磚引玉的作用。（3） 對于本研究所研究的不規則高層鋼結構-支撐框架，在驗算位移時，宜先查看非強剛模型計算結果，初步判斷樓層位移曲線，對位移超限的結構層進行調整，可以適當提高梁截面高度，在合適的位置增設水平支撐。調整后，再查看強剛模型下的位移，作為進一步判斷結構位移的依據。建議在進行位移指標查驗時，對于工業構筑物，不能完全照搬民用規范的結果指標，有些指標收到結構不規則的影響，宜適當的放寬要求。（4） 臥式容器的工業設備模塊參數定義中，建議允許用戶輸入充水水重，這樣無需再單獨建立自定義工況，專門設置充水水重參與荷載組合。（5） 由于臥式容器工業設備模塊的導荷方式是將設備支座模擬為兩個剛性桿，導入到鄰近梁端點。如果建模時設備支撐梁上無多余節點，則設備荷載會直接傳遞至梁兩端點，再傳到柱子節點上，對于整體計算影響不大，但對于設備梁的應力比計算、撓度計算會有影響。查看結果時會發現梁的應力比和撓度都很小，因為荷載被直接傳到梁端點了。建議在建模型時，根據設備支座長度，在梁上附加兩個節點，將設備落在節點間的梁端，可以更真實的反應設備支撐梁的計算結果。