鄔德勝，李青松

(四川天一科技股份有限公司，四川成都610200)

1 工程概況

本工程為中石油撫順石化某分公司技造工程6×104Nm3/h轉(zhuǎn)化制氫裝置之轉(zhuǎn)化爐鋼結(jié)構(gòu)(圖1)。工程地點位于遼寧省撫順地區(qū)，為一工業(yè)爐裝置，平面尺寸為:16.58 m×17.15 m，共有六層:爐底層、爐膛層、爐頂層、爐管吊架掛層、熱風(fēng)管層和雨棚屋面層。立面上各層層高除爐膛層為13.36 m外，其余各層相近，為2.8～3.7 m，結(jié)構(gòu)總高25.2 m。雨棚屋面層為一帶挑檐的雙坡屋面，外挑長度3 m，屋面鋪壓型彩鋼板。轉(zhuǎn)化爐的東面接對流段，在爐底需開一煙道層大洞:16.5 m(寬)×3 m(高)，工業(yè)爐專業(yè)要求中柱不能穿越煙道層，所以東面除角柱外的所有中柱在煙道層均被切斷，結(jié)構(gòu)在此需進行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)化爐四周因操作和檢修需要，在每層局部均設(shè)有1.5 m寬外挑平臺。轉(zhuǎn)化爐主體結(jié)構(gòu)采用鋼框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用樁基。

圖1 轉(zhuǎn)化爐空間結(jié)構(gòu)

2 結(jié)構(gòu)布置和選型

轉(zhuǎn)化爐鋼結(jié)構(gòu)為無填充墻鋼框架結(jié)構(gòu)體系，矩形柱網(wǎng)布置，鋼柱、鋼梁采用熱軋H型鋼，支撐、平臺梁等采用普通槽鋼或工字鋼。轉(zhuǎn)化爐沿四周設(shè)一圈鋼柱，中間為爐膛，柱截面初步設(shè)計方案為熱軋H型鋼HW350×350×12×19，框架南北向跨度為17.12 m，東西向跨度為16.58 m。在爐底層中間部位設(shè)有短柱。在爐頂以上層因有爐膛不能設(shè)柱，而跨度和荷載都較大，為增加結(jié)構(gòu)的整體性和剛度，在雨棚屋面層的縱橫兩個方向均設(shè)豎桿和斜桿，形成剛度很大的空間桁架，其下的爐頂層、爐管吊架掛層、熱風(fēng)管層均設(shè)豎向吊桿懸掛于桁架下弦節(jié)點。桁架斜桿為雙肢角鋼組合截面2?180×110×10，直桿和豎向吊桿均為熱軋H型鋼HW200×200×8×12。轉(zhuǎn)化爐東側(cè)底部接對流段設(shè)煙道層大洞處，在洞頂設(shè)雙層桁架進行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，為使結(jié)構(gòu)整體空間剛度均衡協(xié)調(diào)，在煙道層頂標(biāo)高處沿轉(zhuǎn)化爐四周通設(shè)一圈桁架，桁架斜桿均為熱軋H型鋼 HW200×200×8×12。爐膛部位鋼柱凈高為13.36 m，在此高度范圍內(nèi)，除四根角柱外其余鋼柱在爐壁平面內(nèi)設(shè)有層間梁，而在垂直爐壁的平面內(nèi)無法設(shè)梁，在此平面內(nèi)形成超長實腹式鋼柱。

3 設(shè)計參數(shù)

(1)本工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限為50 a;結(jié)構(gòu)的安全等級為二級。

(2)基本風(fēng)壓:0.45 kN/m2，地面粗糙類別:B類。

(3)屋面活載:0.50 kN/m2(不上人屋面);爐體外平臺走道活載:4.5 kN/m2;

(4)抗震設(shè)防類別:乙類;設(shè)防烈度按7度設(shè)防;設(shè)計基本地震加速度值為0.1g;地震分組第一組;場地類別:II類。

(5)主結(jié)構(gòu)(框架梁、柱、支撐、連接板)均采用Q235B鋼。

4 結(jié)構(gòu)計算分析

由于本工程系超長框架柱—支撐體系，且由于二層煙道層的存在，使結(jié)構(gòu)立面剛度突變較大，屬于結(jié)構(gòu)立面極不規(guī)則結(jié)構(gòu)，對水平風(fēng)荷載和地震荷載較敏感，水平側(cè)移較大，在結(jié)構(gòu)發(fā)生變形后應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)變形后的位形和變形對外力的效應(yīng)，此效應(yīng)對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定影響較大，不應(yīng)忽略。針對本工程的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)構(gòu)分析計算采用二階彈性法。

4.1 框架二階彈性分析法

本工程結(jié)構(gòu)分析計算時采用二階彈性法，對結(jié)構(gòu)的二階效應(yīng)做如下考慮:

(1)施加水平概念力考慮結(jié)構(gòu)的初始缺陷

(2)重力對結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的P－Δ效應(yīng)通過修改結(jié)構(gòu)剛度矩陣實現(xiàn)。

4.1.1 結(jié)構(gòu)的初始缺陷和水平概念力

所有鋼結(jié)構(gòu)和構(gòu)件由于均存在初始缺陷，如柱子的初傾斜、初偏心和殘余應(yīng)力，結(jié)構(gòu)在外力作用下發(fā)生變形均應(yīng)考慮初始缺陷對內(nèi)力的影響，其影響程度可通過在框架每層柱的柱頂作用附加的假向水平力(概念荷載)來綜合體現(xiàn)(圖 2)[2]。

4.1.2 關(guān)于P－Δ效應(yīng)

圖2 水平概念力示意

P－Δ效應(yīng)是一種幾何非線性效應(yīng)，線彈性分析總是在初始構(gòu)形上建立平衡方程，對于側(cè)移較大的結(jié)構(gòu)，平衡方程須在變形后的位置上建立才合理，才可以體現(xiàn)出垂直力的側(cè)移效應(yīng)[5]。

本工程中P－Δ效應(yīng)由程序通過修改結(jié)構(gòu)剛度矩陣實現(xiàn)。

4.2 結(jié)構(gòu)分析計算結(jié)果

本工程結(jié)構(gòu)計算程序采用PMSAP和SATWE程序進行計算，計算結(jié)果如表1、表2。

表1 結(jié)構(gòu)前6階自振周期(s)

表2 層間位移角

4.3 彈形時程分析計算結(jié)果

由于本工程結(jié)構(gòu)立面復(fù)雜，豎向剛度突變不規(guī)則，采用PMSAP程序?qū)Y(jié)構(gòu)進行彈性時程分析補充計算，地震波選取了7組地震波時程曲線(2組人工波+5組實際記錄地震波)，結(jié)構(gòu)彈性動力時程分析和CQC分析的層間位移結(jié)果詳見圖3、圖4。

4.4 超長框架柱的長細比問題

由于本工程框架柱系無樓板層的超長柱結(jié)構(gòu)，如何考慮框架柱的計算長度系數(shù)，并控制框架柱的容許長細比是本工程設(shè)計的難題，框架柱長細比的合理選取不僅只是考慮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全問題，它對本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制尺寸和經(jīng)濟合理性直接相關(guān)。

4.4.1 按傳統(tǒng)規(guī)范考慮框架柱長細比

關(guān)于框架柱計算長度，長期的通行計算理論和現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的做法實際是逐個構(gòu)件設(shè)計法，即把框架柱和橫梁作為單獨構(gòu)件來處理，只是在計算時考慮其相互約束來確定桿件計算長度，詳鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[2]中的計算簡化假定。對本工程這種超長框架柱—支撐結(jié)構(gòu)體系，這種框架柱計算長度計算簡化假定會有如下問題:

圖3 X向彈性時程分析樓層位移角

圖4 Y向彈性時程分析樓層位移角

(1)框架柱的失穩(wěn)和變形模型假設(shè)理論太過理想，與工程實際結(jié)構(gòu)框架柱發(fā)生失穩(wěn)變形相差太大，尤其在地震作用下結(jié)構(gòu)進入彈塑性時，計算假定模型會太過失真。

(2)在確定框架柱計算長度和確定等效彎矩系數(shù)時兩次考慮P－Δ效應(yīng)，結(jié)構(gòu)偏于保守。

(3)按傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，計算的計算長度系數(shù)法分別求得的框架柱平面內(nèi)外長細比λx，λy，若再參照抗震規(guī)范[3]的抗震構(gòu)造措施強制性條文規(guī)定二級鋼框架長細比不大于來控制，試算結(jié)果則大部分框架柱的穩(wěn)定應(yīng)力比小于0.2，軸壓比＜0.1。

顯然采用傳統(tǒng)一階彈性分析計算框架柱計算長度系數(shù)，并按抗震規(guī)范要求控制框架柱長細比則太嚴，框架柱的穩(wěn)定承載力潛力很大，結(jié)構(gòu)設(shè)計過于保守，經(jīng)濟性太差。

4.4.2 按極限承載力概念設(shè)計考慮框架長細比

實際上框架結(jié)構(gòu)中壓彎構(gòu)件不是一根孤立的兩端鉸支或其他支承形式的桿件，而是空間框架的組成部分，框架柱的失穩(wěn)實質(zhì)上屬于框架的整體失穩(wěn)問題，框架柱、梁、支撐應(yīng)是空間體系整體協(xié)同作用，要準(zhǔn)確確定各結(jié)構(gòu)桿件的計算長度，理論上應(yīng)對框架—支撐上進行整體極限承載力分析，通過結(jié)構(gòu)分析每根桿件發(fā)生失穩(wěn)變形的模態(tài)形狀并考慮塑形因素求得，各桿件在不同荷載作用下實際發(fā)生屈服進入塑形階段并不是同時發(fā)生的，而要完全實現(xiàn)采用復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的整體極限承載力分析法確定每根桿件在不同荷載工況下的計算長度，計算工作量和難度太大，現(xiàn)階段直接用于設(shè)計也是不太現(xiàn)實的。但設(shè)計上可采用如下極限承載力概念設(shè)計思路:

(1)通過分析結(jié)構(gòu)的二階彈形分析變形模態(tài)，盡量通過調(diào)整框架梁、柱、支撐斷面和結(jié)構(gòu)布置，通過桿件間互相空間協(xié)同作用，讓盡量多的框架柱變形模態(tài)能夠大體一致。

(2)充分考慮各變形模態(tài)一致的框架柱的相互空間協(xié)調(diào)支持作用，并考慮與計算柱連續(xù)的上下層柱的支持作用，分析各框架柱的穩(wěn)定承載力應(yīng)力比是否有潛力，潛力較高者可對其他柱起支持作用，被支持的框架柱計算長度系數(shù)可折減，提供支持的框架柱計算長度系數(shù)應(yīng)提高。

(3)在結(jié)構(gòu)整體進入極限塑形變形后，為保證框架柱之間的相互支持協(xié)同作用，保持相同變形模態(tài)失穩(wěn)模型，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的彈性分析結(jié)構(gòu)，找出結(jié)構(gòu)的薄弱層和薄弱點，找出整體結(jié)構(gòu)的最先可能出現(xiàn)的塑性鉸位置，確定結(jié)構(gòu)極限塑形變形計算模型。為滿足“小震不壞，大震不倒”的結(jié)構(gòu)抗震的概念設(shè)計，塑性鉸的最先出現(xiàn)位置必須控制在框架梁而非框架柱上。在罕遇地震作用下，框架結(jié)構(gòu)應(yīng)通過抗震構(gòu)造措施實現(xiàn)強柱弱梁、強節(jié)點、強連接概念設(shè)計，使塑性鉸的出現(xiàn)位置和整體結(jié)構(gòu)極限失穩(wěn)符合預(yù)期設(shè)計模型。

4.4.3 本工程框架長細比的設(shè)計控制

由于設(shè)計中完全采用二階彈塑性分析方法分析復(fù)雜框架—支撐結(jié)構(gòu)還缺少實際應(yīng)用經(jīng)驗，尤其在大地震作用下，框架—整體結(jié)構(gòu)的一系列塑性鉸出現(xiàn)可能的不確定性，因此本工程對長細比問題設(shè)計處理如下:

(1)二階彈性結(jié)構(gòu)分析考慮水平概念力和豎向重力的P－Δ效應(yīng)，結(jié)構(gòu)分析中框架柱的計算長度系數(shù)取μ=1.0，并分析每根框架柱在荷載作用下的變形模態(tài)形狀，通過控制結(jié)構(gòu)斷面尺寸和布置使框架柱變形形狀模態(tài)盡量一致。

(2)按傳統(tǒng)規(guī)范法求出每根框架的計算長度系數(shù)和長細比。

(3)由于大部分框架柱的潛力較大，軸壓比和穩(wěn)定應(yīng)力比都較小，考慮框架柱與支撐的空間協(xié)同支持作用，變形模態(tài)形狀相同的框架柱取用平均長細比λ=1/n∑λi。

(4)在大震作用下，為保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定和延性，控制框架柱的長細比，參照石油化工業(yè)管式爐鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范[4]中的要求，取用框架柱平均長細比λ≤120。

最后經(jīng)結(jié)構(gòu)方案經(jīng)濟比較，本工程采用二階彈性計算并按上述方案考慮長細比問題設(shè)計的鋼結(jié)構(gòu)用量，對比傳統(tǒng)方法一階彈性計算和逐柱長細比規(guī)范計算法，前者比后者在本工程中可節(jié)約15%以上的用鋼量。在設(shè)計中用二階彈性分析并考慮結(jié)構(gòu)整體極限承載力處理框架柱長細比，經(jīng)濟效益是十分顯著的。

5 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

按照“小震不壞，大震不倒”的抗震設(shè)計原則，在小震作用下的彈性分析計算實際上是讓結(jié)構(gòu)具備一定抵抗地震作用的強度儲備，現(xiàn)階段大地震作用下提高結(jié)構(gòu)抗震性能更多是依靠概念設(shè)計，即加強結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施來實現(xiàn)。

結(jié)合本工程結(jié)構(gòu)整體極限承載力分析框架柱設(shè)計法和抗震概念設(shè)計，本工程結(jié)構(gòu)抗震計算和構(gòu)造措施如下:

(1)框架軸壓比和長細比控制。

為使框架柱具有足夠的強度儲備和潛力，控制框架柱的最大軸壓比不大于0.4，平均長細比不大于120，對煙道層間變形最大的兩根角柱，控制其長細比不大于80，支撐長細比不大于120。

(2)強柱弱梁、強節(jié)點域、支撐強度和強連接板設(shè)計承載力驗算。

為保證框架梁屈服先于框架柱，相交的框架梁柱全塑性承載力應(yīng)滿足:

節(jié)點域屈服承載力:ψ(Mpb1+Mpb2)/Vp≤(4/3)fyv

支撐和連接板的抗震承載力按抗規(guī)和鋼規(guī)計算和控制，不再詳述，但應(yīng)保證支撐的屈服先于節(jié)點板，即實現(xiàn)強節(jié)點連接。

(3)框架梁、柱、支撐的寬厚比控制。

為符合強柱弱梁延性抗震結(jié)構(gòu)模型，框架梁、柱、支撐進入塑性階段后，要求產(chǎn)生的塑性鉸能產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)動，對構(gòu)件中的板件寬厚比應(yīng)按規(guī)范中塑性設(shè)計和抗震相關(guān)要求嚴加控制，避免由于板件局部失穩(wěn)而使構(gòu)件失去承載能力，導(dǎo)致大震作用下預(yù)期延性結(jié)構(gòu)模型不能實現(xiàn)。

(4)塑形鉸位置和犬骨式構(gòu)造。

強柱弱梁概念設(shè)計中，確保塑性鉸先于框架柱出現(xiàn)在框架梁上最為關(guān)鍵，結(jié)構(gòu)在大震作用下只有使框架梁在預(yù)定位置出現(xiàn)塑形鉸，才有可能實現(xiàn)預(yù)期的抗震塑性計算模型，本工程設(shè)計中采用的是犬骨式(RBS)構(gòu)造如圖5。

圖5 犬骨式構(gòu)造

6 結(jié)論

(1)對復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)初始缺陷，通過施加水平概念力并考慮P－Δ效應(yīng)，進行二階彈性分析，并找出結(jié)構(gòu)的薄弱層。

(2)采用二階彈性分析的鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)計中應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)的彈塑形極限承載力和變形狀態(tài)。

(3)對框架柱的失穩(wěn)和長細比問題，應(yīng)結(jié)合彈性分析結(jié)果和結(jié)構(gòu)的彈塑形極限承載力和變形狀態(tài)綜合分析，設(shè)計中應(yīng)考慮框架柱、支撐的協(xié)同空間作用，考慮結(jié)構(gòu)潛力來處理長細比問題。

(4)結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，應(yīng)符合“強柱弱梁、強節(jié)點域、強連接”概念設(shè)計，抗震構(gòu)造措施是實現(xiàn)延性抗震塑形結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。

(5)采用二階彈性分析并考慮結(jié)構(gòu)整體極限變形分析法，對比傳統(tǒng)的一階彈性分析法，可大幅節(jié)約用鋼量，有較好的經(jīng)濟效益。

[1]陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理(第3版)[M].北京:科學(xué)出版社，2005

[2]GB 50017－2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]

[3]GB 50011－2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S]

[4]SH/T3070－2005石油化工管式爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]

[5]中國建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部.PMSAP用戶手冊[M]

[6]中國建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部.SATWE用戶手冊[M]