煤气化框架结构设计方案探讨

黄　东

中国成达工程有限公司　成都　610041



煤气化框架结构设计方案探讨

黄东*

中国成达工程有限公司成都610041

针对煤气化框架工艺布置复杂的特点，阐述影响结构方案的因素，着重分析目前国内常用煤气化框架的结构形式，并对各种结构形式进行探讨。

框架布置影响因素优劣对比方案探讨方案推荐

煤化工项目中，煤气化框架的结构设计既是重点又是难点，结构设计之初，煤气化框架结构方案的确定显得尤为重要。

1　煤气化框架的布置特点

以某项目煤气化框架工艺布置为例，具体介绍煤气化框架的布置特点，此煤气化框架38m层布置见图1，正立面见图2。

图1　煤气化 EL138000层平面

此框架具有体量较大、跨度较大、层高较高、设备较多等特点。

(1)体量较大：此框架下部长 73m；宽46m，主体长50m，宽36m，总高89m，共13个主要层。

(2)跨度较大：除了电梯间和楼梯间的开间柱距为4m外，该框架主体横向柱距为12m，纵向柱距最小10m、最大16m；且16m跨上正好作用了779t的原煤仓。

(3)层高较高：该框架主体的层高普遍在7～8m之间，局部错层并产生了20m、18m、13m、12m的层高。

图2　煤气化框架立面

(4)设备数量和类型多而且重：框架内设备台数100余台，框架之上有24台单重超过100t的设备，单台设备最大重量达733t(湿洗塔)，38m层设备总重达3300t，89m层(顶层)设备总重达900t；同时，框架局部存在32t的重型吊车(作用于20m楼层底部)，楼面上还有诸如输送机、给料机、给煤机、泵等振动设备。

2　煤气化框架结构方案考虑因素

鉴于煤气化框架工艺、管道布置的复杂性，在确定结构方案时，就需要考虑到各方面的影响因素。

(1)合规性： 这是满足规范的需要，所有的结构方案应在不超规范的前提下进行，不仅要考虑水平、竖向的各种设计参数、控制指标等方面不超规范相关条文，而且要考虑整体结构在安全上得有一定的储备。

(2)安全性： 这是最基本的考虑，应考虑到竖向荷载(如设备、管道、结构自身等重量及操作、检修等荷载)作用下，构件本身不出问题(主要是强度、裂缝、挠度等问题)。同时要考虑水平荷载(如地震、风荷载)作用下，结构体系也不出现问题(周期比、位移比、层刚比、剪重比等问题)。

(3)合理性： 这是技术基本要求，需要考虑实现工艺、管道等专业基本的使用要求(净空、开孔、检修、通道等问题)。

(4)施工性： 这涉及到两方面，一方面是框架本身的施工：这是一个跨度较大、层高较高、荷载较大的高层工业厂房，选择什么样的结构型式、什么样的建筑材料以及采用什么样的施工方式， 将会对框架本身施工的难度和效率产生较大的影响。另一方面是大重型设备吊装：此框架上吊装荷载超过100t的设备有近10台，甚至有300t、400t、500t的大型重设备需要吊至高位楼层上，如何起吊、安装、就位这些大型重设备，是以后施工安装工作的一个重点、难点，也是需要多方共同考虑的一个重要问题。土建采用什么的结构方案、连接形式，将会对以后这种大重设备的吊装产生较大的影响，也会对整个框架的施工进度产生较大的影响。

(5)经济性：在满足功能、安全、规范的同时，减少工程投入、降低工程造价、缩短施工周期是结构方案要考虑的重要因素，这是一般工程的基本要求，这也是结构工程师职业操守的一个基本体现。

3　常用结构方案探讨

目前国内常用的粉煤气工艺是在20世纪90年代从国外引进的，引进时煤气化框架结构形式采用的是下部混凝土框架+上部钢框架支撑，这种结构形式可能在国外适用，但目前在国内，规范尚未有明确的定义。随着我国各种结构设计规范的不断补充、更新和完善，结构设计人员经验的不断积累，计算软件的不断改进，逐渐出现了更合理、更科学的结构形式。同时，由于各工程项目的工艺布置条件不同，各工程项目投资、进度及建设地点等具体情况也各不相同，因而煤气化框架的结构形式也不尽相同。根据目前国内煤气化框架的高度从40m到100m不等的情况，对目前出现的各种结构形式的优劣进行对比见表1。

表1的结构形式主要分为四类，纯框架结构、框架抗震墙结构、框架-支撑结构以及下部纯框架+上部框架支撑的上下组合结构。

3.1纯框架结构

纯框架结构具有平面布置灵活、内部空间利用率高的优点，也有利于工艺布置，但纯框架结构体系只有一道抗震防线，抗震性能较差，对气化框架这种高大且重要的工业厂房来说，不宜采用。纯框架结构体系是利用框架梁柱的抗弯能力来抵抗风荷载和地震荷载产生的水平力，这种通过加大梁、柱截面来提高整个框架抗侧移刚度的方法不够经济。所以纯框架结构体系一般仅用于基本风压较小、无抗震设防或低烈度地区，且其高度也有所限制。

3.2框架抗震墙结构

框架抗震墙结构相对于纯框架结构来说有两道抗震防线，其抗震性能大幅提高，高度限制也较小，也比较经济。但由于气化框架内设备和管线密布，抗震墙的设置将会严重影响工艺管线布置，同时抗震墙的设置对设备安装非常不利，所以框架抗震墙结构体系一般情况下不宜采用。

3.3框架-支撑结构

框架-支撑结构也是两道抗震防线，其抗震性能好。此时，柱不再承担水平力，只承担竖向力，但是柱要作为承担水平力的安全储备，水平力则由柱间支撑来承担。在水平力作用下，柱间支撑通过刚性楼板或水平支撑传力至刚接框架上并与之共同工作，形成了双重抗侧力的结构体系。此种结构体系同样具有平面布置灵活、内部空间利用率较高等特点，基本能满足框架内工艺布置、管线走向的要求，这种结构体系也合理、合规，设计参数、计算参数也很容易满足；同时，这种结构体系也经济合理。所以气化框架结构方案宜优先选用这种结构体系。

3.4下部纯框架+上部框架支撑结构

下部纯框架+上部框架支撑结构这种结构体系是我国到目前为止规范上都没有明确定义的一种结构形式，这种结构形式的存在有其历史原因，这里就不再过多讨论。此种结构主要是指下部为混凝土框架，上部为钢框架支撑；下部为混凝土框架，主要考虑汽化炉层设备荷载非常重，柱轴向力很大，用混凝土柱比用钢柱节约，下部不设柱间支撑是方便工艺布置；上部用钢框架支撑结构是考虑框架施工及设备安装的可操作性，且其工期不长也容易控制。此种结构形式比较经济，但规范依据或支撑性差，阻尼比的取值难以确定，设计参数、计算控制参数难以确定，需要提请超限审查，一般情况下不建议采用。

表1　常用结构形式的优劣对比

注：表中上部、下部的分界层一般是汽化炉作用层。

4　方案推荐

探讨的上述四种结构体系中，煤气化框架宜优先选用的结构体系是框架-支撑结构体系，在这种结构体系中，认为下部钢支撑矩管混凝土柱钢框架+上部钢框架支撑这种结构尤其适合煤气化框架。

4.1满足工艺布置要求

此种结构由于轴向力由钢柱和内部的混凝土共同承担，使得柱截面较钢柱要小得多，增加了框架内部的使用空间，有利于工艺布置，同时，钢梁的截面要比混凝土梁小很多，甚至大跨度的梁可以采用矩形钢管混凝土桁架，增大了楼层的净空，有利于布置内部复杂的工艺管线。

4.2规范依据或支撑性好

在《矩形钢管混凝土结构技术规程》CECS159-2004中，对此种结构的结构体系、材料选用、各种设计参数、控制指标、节点设计、构造要求、构件制作、施工要求等都有明确定义或规定，所以这种结构符合现行的设计规范，有利于结构设计的顺利进行，图纸审查方面也更容易通过。

4.3满足框架施工及设备安装的要求

此种结构的施工几乎等同钢框架的施工，矩管钢柱的强度足以满足施工要求，矩管内混凝土的施工也不需要模板，这就大幅缩短了施工的工期和节约了费用；同时，由于钢梁安装和拆卸的灵活性，设备安装方案特别是重、大设备的吊装方案能更好的得到实施，工期缩短，费用减少，安全得到保障。

4.4经济性

此种结构兼有钢结构和混凝土结构的优点，充分发挥了材料的各自特性，能够减低工程造价、缩短工期、节约材料、减少能耗，整个框架的经济性能较好的得到体现。

5　结语

煤气化框架的结构方案选择应首先考虑结构的安全性和合规性，其次要考虑满足工艺布置的合理性，然后是框架施工及设备吊装的可行性，最后才是经济性；应力求做到工艺布置与结构设计、结构设计与施工组织的协调和统一，尽量避免结构方案与工艺布置的实现、施工组织的实施有冲突甚至无法调和。煤气化框架宜优先选用框架+支撑的结构体系，宜选用下部钢支撑矩管混凝土柱钢框架+上部钢框架支撑这种结构形式。

1GB50011-2010,建筑抗震设计规范[S].

2JGJ3-2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

3JGJ99-2015,高层民用建筑钢结构技术规程[S].

4CECS159-2004,矩形钢管混凝土结构技术规程[S].

5JGJ138-2001,型钢混凝土组合结构技术规程[S].

6GB50160-2008,石油化工企业设计防火规范[S].

*黄东：高级工程师。1997年毕业于湘潭工学院工民建专业。一直从事结构设计工作。联系电话：(028)65531836，E-mail:huangdong2@chengda.com。

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