大型转化炉钢结构中超长框架柱：支撑结构设计

邬德胜，李青松

(四川天一科技股份有限公司，四川成都610200)

1 工程概况

本工程为中石油抚顺石化某分公司技造工程6×104Nm3/h转化制氢装置之转化炉钢结构(图1)。工程地点位于辽宁省抚顺地区，为一工业炉装置，平面尺寸为:16.58 m×17.15 m，共有六层:炉底层、炉膛层、炉顶层、炉管吊架挂层、热风管层和雨棚屋面层。立面上各层层高除炉膛层为13.36 m外，其余各层相近，为2.8～3.7 m，结构总高25.2 m。雨棚屋面层为一带挑檐的双坡屋面，外挑长度3 m，屋面铺压型彩钢板。转化炉的东面接对流段，在炉底需开一烟道层大洞:16.5 m(宽)×3 m(高)，工业炉专业要求中柱不能穿越烟道层，所以东面除角柱外的所有中柱在烟道层均被切断，结构在此需进行转换。转化炉四周因操作和检修需要，在每层局部均设有1.5 m宽外挑平台。转化炉主体结构采用钢框架结构，基础采用桩基。

图1 转化炉空间结构

2 结构布置和选型

转化炉钢结构为无填充墙钢框架结构体系，矩形柱网布置，钢柱、钢梁采用热轧H型钢，支撑、平台梁等采用普通槽钢或工字钢。转化炉沿四周设一圈钢柱，中间为炉膛，柱截面初步设计方案为热轧H型钢HW350×350×12×19，框架南北向跨度为17.12 m，东西向跨度为16.58 m。在炉底层中间部位设有短柱。在炉顶以上层因有炉膛不能设柱，而跨度和荷载都较大，为增加结构的整体性和刚度，在雨棚屋面层的纵横两个方向均设竖杆和斜杆，形成刚度很大的空间桁架，其下的炉顶层、炉管吊架挂层、热风管层均设竖向吊杆悬挂于桁架下弦节点。桁架斜杆为双肢角钢组合截面2?180×110×10，直杆和竖向吊杆均为热轧H型钢HW200×200×8×12。转化炉东侧底部接对流段设烟道层大洞处，在洞顶设双层桁架进行结构转换，为使结构整体空间刚度均衡协调，在烟道层顶标高处沿转化炉四周通设一圈桁架，桁架斜杆均为热轧H型钢 HW200×200×8×12。炉膛部位钢柱净高为13.36 m，在此高度范围内，除四根角柱外其余钢柱在炉壁平面内设有层间梁，而在垂直炉壁的平面内无法设梁，在此平面内形成超长实腹式钢柱。

3 设计参数

(1)本工程结构的设计使用年限为50 a;结构的安全等级为二级。

(2)基本风压:0.45 kN/m2，地面粗糙类别:B类。

(3)屋面活载:0.50 kN/m2(不上人屋面);炉体外平台走道活载:4.5 kN/m2;

(4)抗震设防类别:乙类;设防烈度按7度设防;设计基本地震加速度值为0.1g;地震分组第一组;场地类别:II类。

(5)主结构(框架梁、柱、支撑、连接板)均采用Q235B钢。

4 结构计算分析

由于本工程系超长框架柱—支撑体系，且由于二层烟道层的存在，使结构立面刚度突变较大，属于结构立面极不规则结构，对水平风荷载和地震荷载较敏感，水平侧移较大，在结构发生变形后应考虑结构变形后的位形和变形对外力的效应，此效应对结构稳定影响较大，不应忽略。针对本工程的结构特点，结构分析计算采用二阶弹性法。

4.1 框架二阶弹性分析法

本工程结构分析计算时采用二阶弹性法，对结构的二阶效应做如下考虑:

(1)施加水平概念力考虑结构的初始缺陷

(2)重力对结构变形产生的P－Δ效应通过修改结构刚度矩阵实现。

4.1.1 结构的初始缺陷和水平概念力

所有钢结构和构件由于均存在初始缺陷，如柱子的初倾斜、初偏心和残余应力，结构在外力作用下发生变形均应考虑初始缺陷对内力的影响，其影响程度可通过在框架每层柱的柱顶作用附加的假向水平力(概念荷载)来综合体现(图 2)[2]。

4.1.2 关于P－Δ效应

图2 水平概念力示意

P－Δ效应是一种几何非线性效应，线弹性分析总是在初始构形上建立平衡方程，对于侧移较大的结构，平衡方程须在变形后的位置上建立才合理，才可以体现出垂直力的侧移效应[5]。

本工程中P－Δ效应由程序通过修改结构刚度矩阵实现。

4.2 结构分析计算结果

本工程结构计算程序采用PMSAP和SATWE程序进行计算，计算结果如表1、表2。

表1 结构前6阶自振周期(s)

表2 层间位移角

4.3 弹形时程分析计算结果

由于本工程结构立面复杂，竖向刚度突变不规则，采用PMSAP程序对结构进行弹性时程分析补充计算，地震波选取了7组地震波时程曲线(2组人工波+5组实际记录地震波)，结构弹性动力时程分析和CQC分析的层间位移结果详见图3、图4。

4.4 超长框架柱的长细比问题

由于本工程框架柱系无楼板层的超长柱结构，如何考虑框架柱的计算长度系数，并控制框架柱的容许长细比是本工程设计的难题，框架柱长细比的合理选取不仅只是考虑结构稳定和安全问题，它对本工程结构设计的控制尺寸和经济合理性直接相关。

4.4.1 按传统规范考虑框架柱长细比

关于框架柱计算长度，长期的通行计算理论和现行钢结构设计规范的做法实际是逐个构件设计法，即把框架柱和横梁作为单独构件来处理，只是在计算时考虑其相互约束来确定杆件计算长度，详钢结构设计规范[2]中的计算简化假定。对本工程这种超长框架柱—支撑结构体系，这种框架柱计算长度计算简化假定会有如下问题:

图3 X向弹性时程分析楼层位移角

图4 Y向弹性时程分析楼层位移角

(1)框架柱的失稳和变形模型假设理论太过理想，与工程实际结构框架柱发生失稳变形相差太大，尤其在地震作用下结构进入弹塑性时，计算假定模型会太过失真。

(2)在确定框架柱计算长度和确定等效弯矩系数时两次考虑P－Δ效应，结构偏于保守。

(3)按传统钢结构设计规范，计算的计算长度系数法分别求得的框架柱平面内外长细比λx，λy，若再参照抗震规范[3]的抗震构造措施强制性条文规定二级钢框架长细比不大于来控制，试算结果则大部分框架柱的稳定应力比小于0.2，轴压比＜0.1。

显然采用传统一阶弹性分析计算框架柱计算长度系数，并按抗震规范要求控制框架柱长细比则太严，框架柱的稳定承载力潜力很大，结构设计过于保守，经济性太差。

4.4.2 按极限承载力概念设计考虑框架长细比

实际上框架结构中压弯构件不是一根孤立的两端铰支或其他支承形式的杆件，而是空间框架的组成部分，框架柱的失稳实质上属于框架的整体失稳问题，框架柱、梁、支撑应是空间体系整体协同作用，要准确确定各结构杆件的计算长度，理论上应对框架—支撑上进行整体极限承载力分析，通过结构分析每根杆件发生失稳变形的模态形状并考虑塑形因素求得，各杆件在不同荷载作用下实际发生屈服进入塑形阶段并不是同时发生的，而要完全实现采用复杂结构体系的整体极限承载力分析法确定每根杆件在不同荷载工况下的计算长度，计算工作量和难度太大，现阶段直接用于设计也是不太现实的。但设计上可采用如下极限承载力概念设计思路:

(1)通过分析结构的二阶弹形分析变形模态，尽量通过调整框架梁、柱、支撑断面和结构布置，通过杆件间互相空间协同作用，让尽量多的框架柱变形模态能够大体一致。

(2)充分考虑各变形模态一致的框架柱的相互空间协调支持作用，并考虑与计算柱连续的上下层柱的支持作用，分析各框架柱的稳定承载力应力比是否有潜力，潜力较高者可对其他柱起支持作用，被支持的框架柱计算长度系数可折减，提供支持的框架柱计算长度系数应提高。

(3)在结构整体进入极限塑形变形后，为保证框架柱之间的相互支持协同作用，保持相同变形模态失稳模型，应根据结构的弹性分析结构，找出结构的薄弱层和薄弱点，找出整体结构的最先可能出现的塑性铰位置，确定结构极限塑形变形计算模型。为满足“小震不坏，大震不倒”的结构抗震的概念设计，塑性铰的最先出现位置必须控制在框架梁而非框架柱上。在罕遇地震作用下，框架结构应通过抗震构造措施实现强柱弱梁、强节点、强连接概念设计，使塑性铰的出现位置和整体结构极限失稳符合预期设计模型。

4.4.3 本工程框架长细比的设计控制

由于设计中完全采用二阶弹塑性分析方法分析复杂框架—支撑结构还缺少实际应用经验，尤其在大地震作用下，框架—整体结构的一系列塑性铰出现可能的不确定性，因此本工程对长细比问题设计处理如下:

(1)二阶弹性结构分析考虑水平概念力和竖向重力的P－Δ效应，结构分析中框架柱的计算长度系数取μ=1.0，并分析每根框架柱在荷载作用下的变形模态形状，通过控制结构断面尺寸和布置使框架柱变形形状模态尽量一致。

(2)按传统规范法求出每根框架的计算长度系数和长细比。

(3)由于大部分框架柱的潜力较大，轴压比和稳定应力比都较小，考虑框架柱与支撑的空间协同支持作用，变形模态形状相同的框架柱取用平均长细比λ=1/n∑λi。

(4)在大震作用下，为保证结构整体稳定和延性，控制框架柱的长细比，参照石油化工业管式炉钢结构规范[4]中的要求，取用框架柱平均长细比λ≤120。

最后经结构方案经济比较，本工程采用二阶弹性计算并按上述方案考虑长细比问题设计的钢结构用量，对比传统方法一阶弹性计算和逐柱长细比规范计算法，前者比后者在本工程中可节约15%以上的用钢量。在设计中用二阶弹性分析并考虑结构整体极限承载力处理框架柱长细比，经济效益是十分显著的。

5 结构抗震设计

按照“小震不坏，大震不倒”的抗震设计原则，在小震作用下的弹性分析计算实际上是让结构具备一定抵抗地震作用的强度储备，现阶段大地震作用下提高结构抗震性能更多是依靠概念设计，即加强结构的抗震构造措施来实现。

结合本工程结构整体极限承载力分析框架柱设计法和抗震概念设计，本工程结构抗震计算和构造措施如下:

(1)框架轴压比和长细比控制。

为使框架柱具有足够的强度储备和潜力，控制框架柱的最大轴压比不大于0.4，平均长细比不大于120，对烟道层间变形最大的两根角柱，控制其长细比不大于80，支撑长细比不大于120。

(2)强柱弱梁、强节点域、支撑强度和强连接板设计承载力验算。

为保证框架梁屈服先于框架柱，相交的框架梁柱全塑性承载力应满足:

节点域屈服承载力:ψ(Mpb1+Mpb2)/Vp≤(4/3)fyv

支撑和连接板的抗震承载力按抗规和钢规计算和控制，不再详述，但应保证支撑的屈服先于节点板，即实现强节点连接。

(3)框架梁、柱、支撑的宽厚比控制。

为符合强柱弱梁延性抗震结构模型，框架梁、柱、支撑进入塑性阶段后，要求产生的塑性铰能产生所需的转动，对构件中的板件宽厚比应按规范中塑性设计和抗震相关要求严加控制，避免由于板件局部失稳而使构件失去承载能力，导致大震作用下预期延性结构模型不能实现。

(4)塑形铰位置和犬骨式构造。

强柱弱梁概念设计中，确保塑性铰先于框架柱出现在框架梁上最为关键，结构在大震作用下只有使框架梁在预定位置出现塑形铰，才有可能实现预期的抗震塑性计算模型，本工程设计中采用的是犬骨式(RBS)构造如图5。

图5 犬骨式构造

6 结论

(1)对复杂钢结构，应考虑结构初始缺陷，通过施加水平概念力并考虑P－Δ效应，进行二阶弹性分析，并找出结构的薄弱层。

(2)采用二阶弹性分析的钢结构，设计中应充分考虑结构的弹塑形极限承载力和变形状态。

(3)对框架柱的失稳和长细比问题，应结合弹性分析结果和结构的弹塑形极限承载力和变形状态综合分析，设计中应考虑框架柱、支撑的协同空间作用，考虑结构潜力来处理长细比问题。

(4)结构的抗震设计，应符合“强柱弱梁、强节点域、强连接”概念设计，抗震构造措施是实现延性抗震塑形结构的关键。

(5)采用二阶弹性分析并考虑结构整体极限变形分析法，对比传统的一阶弹性分析法，可大幅节约用钢量，有较好的经济效益。

[1]陈绍蕃.钢结构设计原理(第3版)[M].北京:科学出版社，2005

[2]GB 50017－2003钢结构设计规范[S]

[3]GB 50011－2010建筑抗震设计规范[S]

[4]SH/T3070－2005石油化工管式炉钢结构设计规范[S]

[5]中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部.PMSAP用户手册[M]

[6]中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部.SATWE用户手册[M]