石油化工框架的结构布置及设计方法

倪 光，徐晓强

（中国寰球工程公司辽宁分公司， 辽宁 抚顺 113006）

石油化工框架的结构布置及设计方法

倪 光，徐晓强

（中国寰球工程公司辽宁分公司， 辽宁 抚顺 113006）

为了对石油化工框架结构进行分析和计算，比较了结构材料的选用;在结构布置上，需注意柱及支撑的布置方向; 在结构的设计思路中，针对于不同的支撑设置方法，有不同的计算考虑和要求，最后，给出计算的控制指标和框架的规定及构造要求。总结了石油化工装置中常见的框架的结构布置及其设计思路。

石油化工；构架；柱间支撑

在石油化工装置中，框架是一种比较常见的结构形式，包括反应器再生器框架及冷换框架等，用以承载反应器、换热器、卧式、立式容器及其管线等，与装置中管带一起组成装置中主要的构筑物。本文主要针对常见的石油化工装置中框架的结构布置进行讨论，并结合最新国家及行业规范对其设计方法进行探索。

1 结构材料的选用及结构布置的确定

框架可采用钢结构体系或钢筋混凝土结构体系，但由于钢筋混凝土结构工期长，且先期施工完成后，无法再进行后期的支、吊架埋件的设置，若工程设计周期较短，则结构专业无法等待上续专业的支吊架就绪才开始设计,影响施工的进度，且在石油化工装置中，随着装置的投产使用，改造的情况时有发生，显然钢筋混凝土框架不利于改造，因此在实际应用中已没有钢结构框架广泛，本文主要讨论的就是钢结构框架。

作为结构专业，一般都是按照上续专业的委托进行设计，框架的平面尺寸在委托中已经确定，如何确定结构的平面布置是个比较关键的问题，图1所示为常用的一种结构平面布置。

图1 框架平面布置一Fig.1 Plane arrangement 1 of framework

该布置中框架X向有三跨，Y向为单跨，在X向3至4轴之间设置柱间支撑（图1中虚线所示，下同）。按照建筑抗震设计规范（GB50011-2010，以下简称抗规）8.1.5条规定：甲乙类建筑和高层的丙类建筑不应采用单跨框架，多层的丙类建筑不宜采用单跨框架，故此，作为乙类的反应器框架不应采用单跨框架，丙类的冷换框架不宜采用采用单跨框架。在柱间支撑的设置上，一般来说，冷换框架上的诸多换热器是沿X向排列，在停产检修抽芯的时候是沿Y向抽芯，那么此时，柱间支撑的设置就容易使得抽芯无法完成，不能提供设备停产检修所需的操作空间，而且沿Y方向经常有管线的设置，此时柱间支撑的设置很容易与管线发生碰撞，综上各种因素，该平面布置方案不宜采用。

图2所示为改进后的结构平面布置。

图2 框架平面布置二Fig.2 Plane arrangement 2 of framework

该布置图与图1相比，框架柱旋转了90°，同时在Y向的1～4轴上设置柱间支撑，虽然在Y方向是单跨框架，由于在该方向每轴设有柱间支撑，与框架梁柱一起形成一整片抗侧力结构体系，在X方向是多跨框架，本身就是一个可以抵抗该方向水平力的结构体系，而且，由于在X方向并不设置柱间支撑，对于冷换框架来说，该布置并不影响换热器沿Y向的抽芯等检修，也避免了柱间支撑的设置与该方向的管线发生碰撞。综上各种因素，该平面布置方案较第一种布置更为科学合理。

2 框架的设计思路

在图2中所设置的柱间支撑，根据抗规第8.1.6条规定：三、四级且高度不大于50 m的钢结构宜采用中心支撑，也可采用偏心支撑、屈曲约束支撑等消能支撑。中心支撑框架宜采用交叉支撑，也可采用人字支撑或单斜杆支撑，不宜采用K形支撑；支撑的轴线宜交汇于梁柱构件轴线的交点，偏离交点时的偏心距不应超过支撑杆件宽度，并应计入由此产生的附加弯矩，这样就增加了计算的复杂程度，故此，在设计中尽量使支撑的轴线交汇于梁柱构件轴线的交点。

（1）若框架采用中心交叉支撑，此时框架可借助软件（如PM钢结构模块，以下均以此软件为计算软件）正常进行计算，所得结果即可作为设计结果。

（2）若框架的柱间支撑中有人字支撑或V形支撑，见图3。

此时在框架梁的中间形成一个支撑点，在PM中框架梁的计算被支点分为两个杆件，这样计算所得梁的截面比较小，但是根据抗规第8.2.6条第2款规定：人字支撑和V形支撑的框架梁在支撑连接处应保持连续，并按不计入支撑支点作用的梁验算重力荷载和支撑屈曲时不平衡作用下的承载力；不平衡力应按受拉支撑的最小屈服承载力和受压支撑最大屈服承载力的0.3倍计算。因此，根据本条规定，软件计算结果中梁的计算是不准确的，并且也是不安全的。

图3 框架立面布置一Fig.3 Elevation arrangement 1 of framework

本条规定是考虑人字支撑的腹杆在大震下受压屈曲后，其承载力将下降，导致横梁在支撑处出现向下的不平衡集中力，可能引起横梁破坏，并在横梁两端出现塑性铰；V形支撑情况类似，仅当斜杆失稳时横梁向上变形，不平衡力与人字支撑情况相反。然而考虑不平衡力后梁截面过大，规范给出的建议是AISC抗震规程中针对此情况提出的做法，可将人字支撑和V形支撑沿竖向交替设置或采用拉链柱，这样可以避免支撑的不平衡力对框架梁的影响，见图4，此时有支撑的框架梁则需按不考虑支撑的支点进行手工核算，或者将有支撑的轴立面从软件中生成二维模型，在二维PK模型中，去掉支撑，再进行计算，所得即为梁的计算结果。

图4 框架立面布置二Fig.4 Elevation arrangement 2 of framework

若采用图4中两种支撑布置方案时，柱间支撑与垂直纸面的管线碰撞而无法实现时，则根据抗规，此时计算有支撑支点框架梁时，不得考虑支撑支点的作用，且需考虑支撑的不平衡力对梁的作用，此时可建立两个模型来对框架进行近似计算。第一个模型只计算实际结构中有支撑的框架梁，可以不将柱间支撑建模，然后在软件设置选项中控制不计算水平力，此时需要注意的是，在加上设备及管线的荷载及平台操作活荷载后，需要将支撑的不平衡力人为加在相应的框架梁上，然后计算所得即可作为梁的计算结果输出；第二个模型将柱间支撑也在模型中建立，荷载与第一个模型同样施加，采用正常计算的工况，在这个模型中可将除框架梁之外的计算结果作为其他的结构构件的计算结果输出。

综上，计算的宗旨是柱间支撑不用来承担垂直力，而且需考虑人字支撑对框架梁的不平衡作用力，柱间支撑用于承担水平力，在设计中尽量采用交叉支撑，或者人字支撑和V形支撑交替设置，若前两个支撑布置无法实现，再考虑最后一种布置及计算方法，这种方法可能会使结构不能达到非常经济节约的效果，应该尽量避免。

3 计算的控制指标

3.1 弹性层间位移比

框架应进行多遇地震下的抗震变形验算，对于多、高层钢结构，弹性层间位移角限值为1/250[1]。该参数可在STAWE的计算结果中进行校核。

3.2 强柱弱梁验算

根据抗规8.2.5第1款，框架需要进行强柱弱梁验算，在构件信息文档中，有强柱弱梁验算的返回结果，可以在其结果中进行强柱弱梁的校核。

3.3 柱节点域验算

根据抗规8.2.5第2款，框架需要进行节点域的屈服承载力验算，在软件设计结果的节点设计文件中可查看柱节点域验算的结果，如果不满足，则需根据规范进行腹板补强。

4 框架的规定及构造要求

框架（含反应器再生器框架和冷换框架）柱脚板下宜设置抗剪键，与摩擦力一起承受水平剪力[2]。

4.1 反应器再生器框架

（1）梁、柱、支撑构件的最小厚度不应小于8 mm，节点板厚度不应小于10 mm，其它构件的厚度不应小于6 mm（不包括平台板及栏杆）[2]。

（2）有抗震要求的柱下独立基础（或承台）应设置基础连梁[2]。

4.2 冷换框架

（1）平台上有设备、管道挡墩、支吊点等水平荷载作用时（例如框架平台上设置有空冷器或电机基座时），该层应设置可靠的水平支撑系统[3]。

（2）当各榀框架侧向刚度相差较大、竖向支撑布置又不规则时，宜在顶层、中间层设置水平支撑[3]。

（3）平台铺板采用钢格栅板时，应在顶层并至少每隔一层设置水平支撑[3]。

（4）直接支承重要设备的设备梁不宜拼接接长，其他梁仅允许拼接一次，拼接接头应错开支座、跨中和梁梁节点等应力较大或受力较大处。焊接H型钢梁采用焊接接长时，翼缘拼接焊缝与腹板拼接焊缝间的距离不应小于200mm[3]。

（5）柱头拼接距框架梁上方的距离，可取1.3 m和柱净高一半二者的较小值。焊接H型钢柱焊接接长时，翼缘拼接焊缝与腹板拼接焊缝宜错开，其间距不应小于200 mm。同轴线柱不应在相同标高拼接， 宜错开300 mm[3]。

（6）多层框架在风荷载作用下的顶点水平位移与总高度之比值不宜大于1/300，层间相对位移与层高之比值不宜大于1/250[3]。

（7）支承设备的梁应设置与其刚接的平台次梁或其它可靠的抗扭措施，次梁应靠近支座但应错开支座加劲肋[3]。

5 结束语

对于石油化工框架的设计，应在遵循相关规范的规定，深刻理解规范的规定和条文的注释，从本质上把握设计的原则，灵活的掌握建模，计算的技巧，从宏观、微观上做全面的把握，在保证安全的前提下，努力探索、创新更为合理、与其它专业和谐、协调的结构设计方案，也使得设计结果更加便利施工，力求达到经济合理、技术先进的目的，这也是每一个结构设计人员应当追求的目标和职责所在。

［1］ GB50011-2010建筑抗震设计规范[S]．

［2］ SH/T3066-2005石油化工反应器再生器框架设计规范[S]．

［3］ SH/T3077-2012石油化工钢结构冷换框架设计规范[S]．

Structural Arrangement and Design Methods of Framework in Petrochemical Industry

NI Guang，XV Xiao-qiang
（HQCEC Liaoning Company, Liaoning Fushun 113006，China）

In order to analyze and calculate the framework in petrochemical industry, selection of structure materials was discussed; Attention should be given to the layout of the columns and bracings in the layout of the structure; Different calculation and requirements were given according to different settings of bracings in the design of the structure. The requirements of calculation, the provisions and detailing requirements of frameworks were also given. At last, the structural layout of common frameworks and the idea of design in petrochemical industry were discussed.

Petrochemical industry; Framework; Column bracing

TE 624

： A

1671-0460（2015）01-0181-03

2014-12-10

倪光（1984-），男，江苏宿迁人，工程师，2007年毕业于中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院土木工程专业，目前从事结构设计工作。E-mail：niguang@hqcec.com。