浅谈石油化工装置钢结构冷换框架设计

摘 要：钢结构冷换框架在石油化工企业中应用得相当广泛，它具有承载力高、延性好、自重低、施工简便等特点。目前国内石油化工企业主要采用框架-支撑结构。文章以某项目钢结构冷换框架设计为实例，采用STAADPRO/SSDD结构设计软件探讨了支撑在石油化工企业冷换框架设计中所起的作用，并在实际应用设计中优先采用钢结构框架结构体系弱轴设计垂直支撑，发现有利于减小框架梁的高度，可以考虑人员通行，管线布置，冷换设备检修抽芯等因素的影响。

关键词：框架结构；框架-支撑结构；侧向刚度

1 工程概况及方案选择

某公司详细设计项目中，需要设计一构架即钢结构冷换框架。框架为两层，每层标高分别8.000m， 16.500m，该框架总高度16.5m，个别柱局部升至19.2m。

1.1 冷换钢框架结构体系概述

石油化工企业目前经常采用的冷换框架结构形式为框架-支撑结构和框架结构。在满足生产操作条件下，优先采用框架-支撑结构。

1.2 框架结构研究现状

框架结构即无支撑的框架，该种结构在水平力较大时产生的侧移大，为了满足规范要求，往往采用较大的梁、柱断面，因此造成浪费。在正常生产时，位于顶部的平台还会摇晃，使正在平台操作的工人产生不安全感，故很少采用此种方案。

1.3 框架支撑-结构研究现状

框架-支撑结构框架宜在两个方向分别布置支撑，支撑宜采用交叉支撑、人字形或V形支撑。此种结构具有较大的抗侧移刚度，支撑布置在满足管道、设备的安装、生产和检修要求的前提下，优先采用框架柱弱轴设支撑，强轴不设支撑。结构布置根据设备布置的要求采用横向承重框架结构（即钢柱弱轴承重方案），此种方案的优点是：减小钢柱弱轴承重梁的高度，节省钢材，充分发挥H型钢柱强轴截面抵抗矩大的特点，增加H型钢柱弱轴截面抵抗矩，同时加强横向刚度，在钢柱强轴方向便于换热器检修抽芯。另梁柱节点采用梁与钢柱弱轴铰接，梁与钢柱强轴刚接。梁格布置采用短跨承重方案，即设备梁荷载均传到与框架柱弱轴相连的框架梁上，所有梁计算均不考虑稳定，当由稳定控制时，应设置侧向梁。设备梁位置均设水平撑，同时沿着设备支座轴线方向设置平衡梁以抵抗水平抽芯力。

2 建立框架模型及计算结果分析

2.4.2 杆件验算

采用SSDD，按照《钢结构设计规范》GB 50017-2003对框架所选构件进行验算，结果见图7～图8。

通过计算及与以往设计（即纵向框架承重）进行对比发现，在满足承载力和变形要求的情况下，纵向框架梁比横向框架梁的梁型号要大，同时钢柱也比横向框架承重的钢柱要大，另外纵向框架承重比横向框架承重的顶点侧向位移要大，因此冷换框架设计宜优先选用横向框架梁承重且在框架横向柱弱轴设支撑。设计支撑原则：即在满足平台上人员通道高度的情况设撑，设计支撑位置：在框架横向柱弱轴方向，其中的一跨设计成从上到下贯通的人字支撑的结构。同时为了减小另一跨横向框架承重梁的高度，而局部设人字撑，该支撑结构具有抵抗侧向刚度大、侧向位移小、横向框架梁的高度降低等优点。即节省了钢材同时又满足生产需要。另根据程序计算所得的各构件应力图核查，发现？荦8.000层平面应力图中的设备梁应力为0.97，该梁主要为施工方便而与相邻跨设备梁对齐而引起偏心荷载造成的结果，将梁格调整到使设备梁竖向荷载居中即可，再者就是发现用来承重设备梁的框架梁应力偏小，主要是因为框架承重梁的大小是受设备梁大小的制约，综上所述文章所选框架-柱弱轴设支撑且为横向框架承重结构，具有增强钢柱弱轴侧向刚度、减小钢柱弱轴侧向水平位移、降低横向框架梁的高度等优点。同时又满足了生产需要及节省了钢材。

3 结束语

通过以上分析可知，在设计石油化工装置厂区钢结构冷换框架时，应注意优先选用框架-弱轴支撑结构且采用横向框架承重方案。

参考文献

[1]GB5011-2010.建筑抗震设计规范[S].

[2]GB50009-2012.建筑结构荷载规范[S].

[3]GB50017-2003.钢结构设计规范[S].

[4]SH/T3077-2012.石油化工鋼结构冷换框架设计规范[S].

[5]SH/T3077-2012.石油化工抗爆设计规范[S].

作者简介：史佩芝，女，工程师，长期从事结构工程设计工作。