海外工程结构设计中的若干问题

严 峰

(中石化上海工程有限公司，上海 200120)

海外工程结构设计中的若干问题

严 峰

(中石化上海工程有限公司，上海 200120)

基于海外总承包项目实践经验，对国内外工程标准体系、地基基础、抗震设计、节点设计的设计理念差异进行了对比分析，探讨了海外工程设计中的注意事项，为类似工程的施工提供参考依据。

海外工程，工程标准，地基基础，抗震，钢结构节点

0 引言

随着中国经济的快速发展和经济转型的深入进展，中国公司越来越多的走出国门参与海外的石油化工工程建设。海外石油化工建设项目的设计工作逐渐由中外合作过渡到国内公司独立担当。海外工程设计与国内工程相比，考虑问题的角度具有非常巨大的差异。

本文主要结合笔者负责的沙特总承包项目的结构设计情况，从不同的视角做一些总结，以期抛砖引玉。

1 工程建设标准体系

1.1 美国工程标准

海外项目绝大多数的业主认可美国规范，美国结构设计规范体系除了国内比较熟知的International Building Code,IBC；Minimum Design Loads for Buildings and other Structures，ASCE 7；Building Code Requirements for Structural Concrete,ACI 318以及Specification for Structural Steel Buildings AISC 360以外，下面几套标准也是海外工程设计和施工必须执行和掌握的:

1)美国材料与试验协会编制的有关混凝土、钢结构等材料性能标准以及岩土分类和试验标准。

2)美国焊接协会编写的钢结构焊接的设计、施工检验的标准 Structural Welding Code-Steel AWS D1.1。

3)流程工程实践学会编写的PIP系列准则。其中，标准图PIP STF05501 Fixed Ladders and Cages和PIP STF05520 Details for Pipe Railing for Walking and Working Surfaces是海外工业装置中栏杆和直爬梯的通行标准。

4)美国土木工程师协会针对化工装置的敞开结构的风荷载设计以及抗爆结构设计做出规定， Wind Loads for Petrochemical and Other Industrial Facilities和 Design of Blast Resistant Buildings in Petrochemical Facilities。

1.2 沙特标准

沙特阿拉伯地区工程标准可以分为三个层面，政府层面工程建设规定主要是皇家委员会工程指南和环境准则；内政部工业安全高级委员会制定的工业企业安全和防火指导意见等。企业层面的工程建设标准通常是项目实施主要依据，具有很高的权威性，以沙特基础工业公司为例(Saudi Basic Industries Corporation，简称SABIC，世界领先的石化公司之一)，其主要为SES标准(SABIC Engineering Standards)。底层标准是项目的统一规定和执行计划等规定。SABIC企业工程标准主要以美国规范为模板编制，覆盖设计、施工、采购和验收等工程建设的每个层面，其中仅土建和结构专业的标准和标准图合计达一百多项，可见其规定细致全面。SES企业标准较少引用美国标准规范，对于主要的内容均做了直接摘录列项，并附上大量的工程标准图和构造做法规定，能够形成较为完整的一套独立标准体系。

1.3 标准执行

长期以来，我国工程建设中土建专业均以规范为主导，一切以符合强制性规范和强制性条文为核心的设计理念，对企业标准、项目统一规定往往研究不透彻重视不足。在海外项目特别是类似沙特SABIC项目中，对这种惯性思维提出了严峻的挑战。沙特的工程建设标准主要由企业标准为主导，我们的设计理念中不能把SABIC的工程标准等同于执行美国工程标准。整个项目的设计，采购和施工都需要优先执行SABIC企业标准，仅当没有具体规定时或者其明确参见相关规范时才参照执行其他美国的规范和标准。

执行标准的严肃性差异也是我们中方企业在海外项目面临的普遍问题。对规范特别是标准图等的尊重和几乎机械的执行让我们的工程设计人员和施工管理人员不适应。我国通常情况标准图不属于强制性规范范畴，主要是一种推荐性质的标准。在沙特企业标准中标准图在数量上占有不少比重，在执行力上等同于企业的强制标准。企业的标准图较多的涉及施工方面的各种构造和做法，这些做法往往和国内的习惯做法有较多差异，因此需要我们的设计和施工管理人员熟悉这些标准，严格执行标准。一旦不按图施工盲目追赶进度往往适得其反，耗费大量人力物力返工，欲速而不达。

2 地基基础设计

现行我国规范对地基承载力验算时采用正常使用极限状态下荷载效应的标准组合，计算地基变形时采用正常使用极限状态下准永久组合。目前世界各国的上部结构设计规范较多采用极限状态的设计方法，但由于岩土工程的不确定因素较多，变异性过大，因此很多国家的规范延续采用传统的容许应力设计方法。我国规范把地基承载力和地基沉降变形验算分两步进行，美国包括沙特地区通常将地基承载力和沉降变形控制合二为一归并为地基容许承载力。地基容许承载力按以下两者的小值取用[1，2]：

1)沉降控制的地基容许承载力，对独立基础或者条形基础控制总沉降25 mm，对筏板基础控制总沉降50 mm。

2)强度控制的地基容许承载力，通常考虑2倍的安全系数。

我国规范在进行地基承载力基础宽度修正时，随着宽度的增加，地基承载力相应提高，但在国外标准中，由于综合考虑了沉降限值，主要表现为随着基础宽度的增加地基容许承载力不是增加反而是逐渐下降的。因此在使用国外的地勘报告时，应注意其给出的地基容许承载力对应的宽度信息，不宜简单拓展推算。与国内地基承载力做深度修正不同，国外的地质勘探报告通常给出是容许承载力净值即Net Allowable Bearing Pressure，净值表示不包括基础底面以上的土体重量，因此无需再进行任何埋深修正，也无需考虑覆土的重量。

我国地基基础规范规定当偏心荷载作用时，基础边缘的地基承载力特征值允许提高20%。在IBC-2006表1804.2注解中明确，只有在风荷载或者地震效应瞬荷载作用时才允许提高承载力33%，其他情况下不能提高地基容许承载力[3]。因此对应于长期作用的偏心荷载，国外规范较我国标准更为严格。

3 抗震设计

美国规范主要基于弹塑性反应谱的R—μ关系理论，考虑不同的结构类型的设计延性，即延性系数μ，对弹性计算地震作用乘以相应的地震影响系数R进行折减，得到设计荷载[4-7]。美国规范对同一的结构类型设定了不同的延性等级，Ordinary，Intermediate，Special，分别对应低、中和高延性等级。随着延性依次递增，相应的延性系数μ提高，地震作用折减系数也随之增加，设计地震作用依次降低。相比之下我国的现行抗震规范对地震作用降低系数Rμ的取值即地震荷载效应是保持不变，主要是随着抗震设防烈度的变化而调整特定抗震措施严格程度。

我国抗震规范规定，6度及以上抗震设防烈度均需执行抗震设防[8]。由于我国大部分地区均处于地震区，因此几乎全部的建筑物均需满足抗震的构造措施。根据美国规范，对应延性等级Ordinary的是不需要考虑抗震构造，仅需按普通规定执行即可。ACI 318的抗震篇“Special Provisions for Seismic Design”和AISC 341“Seismic Provisions for Structural Steel Buildings”均针对中等及以上延性等级所作的特别规定。

沙特地区地震烈度较低，相当于国内6度抗震设防，而风荷载比较大，折算为国内的基本风压可以达到1 kN/m2左右，按美国规范，即使按低延性框架对应的地震效应依然比较小，大部分结构主要以风荷载为控制工况。据此，在设计中无需考虑抗震特别的构造措施，混凝土框架箍筋无塑性铰加密区域，箍筋可以采用开口直钩形式，钢结构受压构件细长比可以大幅突破120等。这些我们看似习以为常的构造，往往涉及施工的便捷性和工程设计的经济性等多方面。国外工程有着鲜明的地域特点，需要我们准确的把握规范的精神，合法合规提高结构设计的精确性，进而为项目控制成本提高效益打下基础。

4 节点设计

国内常规的钢结构连接节点主要是两元法，刚接和铰接。梁柱刚接连接节点较多采用上下翼缘坡口焊接，腹板高强螺栓的栓焊混合连接形式，或者是带悬臂段的全螺栓拼接节点。海外工程高空焊接无论是施工进度、安全还是质量控制都面临比较大的风险，以SABIC标准为例，钢结构连接通常不允许现场焊接，因此端板式梁柱连接节点在当地应用非常普遍。

国内常规的设计流程是先进行整体结构计算，确定各构件断面，最后再套用钢结构节点的通用图。钢结构连接节点有比较成熟的做法和节点图集，无需设计人员逐一验算选择。在这个流程中，隐含做了一个假定，即连接节点是能够达到等强的特别是抗弯等强连接。在石油化工工程中，无论是设备的操作荷载还是楼板的均布荷载均非常大，框架梁柱连接部位特别是刚接节点往往是弯矩和剪力都最大的部位。端板式节点在这种荷载效应下节点螺栓设计非常困难，容易成为后期节点选用和设计的瓶颈。因此在海外项目钢结构设计中需要打破这种习惯思维，把钢结构节点问题在设计过程中予以解决，避免把困难留到最后。通过对梁柱连接节点设置弹簧刚度，对梁柱刚接节点适当释放抗弯刚度。梁柱连接刚度释放，其核心理念与结构的塑性设计一脉相承，通过降低端部的支座负弯矩，增加跨中正弯矩，既有利于材料强度的充分发挥，又可以进一步简化节点设计。

5 结语

国内外工程，结构设计的基本原理是相通的相似的，公式也是似曾相识。设计人员往往对国内的规范特别是强制性条文耳熟能详，容易形成思维定式，实践表明一些国内的习以为常的理念和手法并不完全适用于海外项目。我们需要改变固有的惯性思维模式，真正融入到国际工程之列。

[1] GB 50007—2002，建筑地基基础设计规范[S].

[2] Joseph E. Bowles. Foundation Analysis and Design[M].Fifth Edition.

[3] IBC. International Building Code[S].

[4] ASCE.Minimum Design Loads for Buildings and other Structures[S].

[5] ASCE.Building Code Requirements for Structural Concrete[S].

[6] AISC.Specification Structural Steel[S].

[7] AISC.Seismic Provisions for Structural Steel Buildings [S].

[8] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

Research on several issues about design of international turnkey engineering structures

Yan Feng

(SINOPECShanghaiEngineeringCo.,Ltd,Shanghai200120，China)

Based on practical overseas general contracting project experience, the paper compares and analyzes design concept differences of engineering criteria system, foundation base, seismic resistance design and joint design at home and abroad, and explores matters needing attention in overseas engineering design, which has provided some guidance for similar engineering construction.

overseas engineering, engineering criteria, foundation base, seismic resistance, steel structure joint

1009-6825(2015)32-0030-02

2015-08-20

严 峰(1972- )，男，高级工程师，一级注册结构工程师

TU318

A