钢管架平面与空间模型计算的对比

包 凯（中石化洛阳工程有限公司，河南洛阳 471000）

钢管架平面与空间模型计算的对比

包 凯
（中石化洛阳工程有限公司，河南洛阳 471000）

管架结构是石化工程设计中一种常见构筑物，是装置间及装置内各单体、建构筑物及设备间相互连接的重要途径。在日常的结构设计工作中，对于管架结构通常采用平面计算模型，随着STAADPRO等有限元软件在设计工作中的推广，三维空间有限元分析模型在实际设计工作中具备了很强的操作性，针对实际工程分别采用两种分析模型进行计算，并对模型进行对比，供设计人员在日后的设计工作中参考。

纵梁式管架；平面计算；空间计算

1　管架结构的特点

管架结构是石化行业工程设计中一种常见结构，是装置间及装置内各单体、建构筑物及设备间相互连接的重要途径，具有面多量广、形式复杂多样的特点，是炼油装置最基本的构筑物形式之一。而钢结构管架，具有自重轻，材料强度高，具有良好的韧性，受力明确，施工方便，易于改造的特点，广泛的应用于石化行业装置内管架结构。

在SH/T3055—2007，石油化工管架设计规范中，将管架根据结构形式分类如下：独立式管架（可分为刚性管架和柔性管架）、跨越式管架、纵梁（桁架）式管架、拉杆式管架、吊索式管架和特种管架［1］。

装置内管架通常采用纵梁式管架结构，其特点为：受力形式相对简单，主要荷载为管道垂直荷载及热力管线产生的水平推力，部分管架会根据工艺要求在顶层设置空冷器而带来的相关垂直荷载和水平荷载，工艺要求布置在管架上的设备荷载以及仪表电气专业在管架上布置槽盒桥架带来的垂直荷载。通常承重方案为横向承重体系，纵向长度远大于横向长度，单榀管架平面内刚接，平面外多数采用有支撑体系，纵向连系梁与各刚架铰接。

2　平面与空间计算模型简介

实际结构是空间的受力体系，但不论是静力分析还是动力分析，往往必须采取一定的简化处理，以建立相应的计算简图或分析模型。目前，常用的结构分析模型可分为两大类：一类为平面结构分析模型；另一类为三维空间有限元分析模型。

2.1平面结构分析模型

此计算方法将结构划分若干片正交或斜交的平面抗侧力结构，但对任意方向的水平荷载和水平地震作用，所有正交或斜交的抗侧力结构均参与工作，并按空间位移协调条件进行水平力的分配。楼板假定在其自身平面内刚度无限大。主要适用于平面布置较为规则的框架结构、框-剪结构、剪力墙结构等。

在实际设计工作中，管架结构通常采用STS-PK或STAADPRO/SSDD进行计算，将管架结构沿纵向简化成若干榀独立的管架，使管架结构简化为二维杆系结构。然后抽取其中具有代表性的若干榀管架进行核算，管架纵向则采用有支撑体系。常常忽略管桥结构的纵向计算，仅在平面内对结构进行内力计算及构件校核。对于管架的纵向梁，虽然要求能传递纵向拉力，但是因为其通常采用H型钢，其轴向承载能力一般不起控制作用，在实际设计中仅按照纵向梁承受横向进出管道荷载和其他荷载进行控制。而管架的柱间支撑通常情况下不由强度条件控制，仅须根据容许长细比对支撑截面型号进行控制。

2.2三维空间有限元分析模型

此计算方法将建筑结构作为空间体系，以节点位移为未知量，由矩阵位移法形成线性方程组求解。该方法计算精度较高，适用于各种类型，各种形状，不同边界条件的结构，各种工况如风荷载作用和地震作用均可计算。

3　实际工程中两种算法结果的对比

3.1工程概况

为了对比在纵梁式管架结构采用两种计算模型所得到结果的异同，现对实际工程作出对比。该工程为某炼油装置中主管桥，采用钢结构纵梁式管架形式，管架共12个轴线，单跨，跨度为5.7m，1～2轴柱距5.5m，2～12轴柱距6m，总长65.5m，其中5-9轴线内布置了空冷器。当地自然条件风荷载为0.55kN/ m2，地面粗糙度为B类，地震设防烈度7度，基本加速度0.10g，设防分组为第一组，场地土为II类。采用天然地基，其地基承载力特征值为180kPa。

3.2平面结构分析模型

在此计算方案中采用PKPM中STS-PK进行平面建模及计算。其中选取具有代表性的6轴（带空冷不打撑），7轴（带空冷打撑），10轴（不带空冷不打撑）构件以及A轴构件进行纵向计算，校核构件强度刚度及稳定性。

该方法为实际设计工作中经常采用的，用以指导管架的横向计算的基础大小以及上部结构重钢柱及管道横向梁的选型。而在实际的设计工作中，设计人员往往仅对管架进行横向计算，纵向计算仅凭经验对基础进行适当放大。

3.3三维空间有限元分析模型

该计算方案采用STAADPRO/SSDD有限元计算软件进行空间建模，经计算得到结果。由SSDD对管架结构进行规范验算。在结果中抽取具有代表性的6轴（带空冷不打撑），7轴（带空冷打撑），10轴（不带空冷不打撑）构件检验结果及柱底反力，用于与采用PK平面模型所得计算结果进行对比。

3.4结果对比

将PK-STS和STAAD软件计算结果进行对比，分别见表1、表2。

根据表1～2中数据，可以看到日常设计工作中两种计算模型对相同的单体设计存在一定的差异。根据对比的结果，归纳为以下几点：

表1　构件应力比对比

表2　柱底反力对比

（1）结构构件计算差别：由对比结果可以明显看出两种模型中横梁应力比（整体稳定应力比）具有明显的差别。在工程实际中，管架横梁上部与管道存在连接关系，对横梁的整体稳定有利。对于柱构件来说，二者计算结果基本相近，STAAD模型由于考虑了两个方向的受力，更接近工程实际。

（2）柱底反力计算差别：由以上结果可以看出在不打撑的部位，计算结果差别不是很大，根据STAADPRO计算结果设计的基础略大于PK-STS计算得到的基础。在打撑的位置二者得到柱底反力有较大差别。由于STAADPRO中考虑了支撑对结构柱底反力的影响，比较接近工程实际，而在实际设计工作中，由PK得到结果在有支撑处基础的适当放大也是符合这一计算结果的。

4　结束语

通过二种不同的计算模型的对比，我们可以看出三维模型的计算结果更接近于工程实际，但是建模过程相对复杂，设计效率一般。但是在有支撑位置的基础计算中可以提供有力的数据支撑，保证基础计算的合理性。因此在日后的设计工作中，对于复杂结构采用三维空间有限元分析模型进行分析是合理的。

［1］ SH/T3055—2007《石油化工管架设计规范》［S］.

收稿日期：2016-05-08

作者简介： 包凯（1986—），男，吉林长春人，工程师，主要从事石油化工行业建构筑物结构设计工作。

Contrast the Plane and Space Model Calculation of Steel Pipe

Bao Kai

The rack structure is a common petrochemical engineering design structures，is an important way between the device and the apparatus between the monomers，building structures and equipment connected to each other.In the daily work of the structural design，the tube frame structure generally planar model，with STAADPRO and other finite element software promotion in the design work，three-dimensional finite element model of the actual design work，with a strong operational two analysis models were used to calculate the actual engineering，and model comparison for designers to reference in the future design work.

stringer type pipe rack；plane calculation；space calculation

U213.4

A

1003-6490（2016）05-0025-02

2016-05-12

郭亮（1981—），男，广东珠海人，助理工程师，主要从事石油化工及危险化学品行业应急救援和安全监管工作。