石化装置中钢框架-支撑结构设计探讨

吴娟英

（ 中石化上海工程有限公司，上海 200120）

石化装置中钢框架-支撑结构设计探讨

吴娟英

（ 中石化上海工程有限公司，上海 200120）

介绍了石油化工项目中钢框架的设计思路，结合某石油化工项目中聚合反应框架的结构设计，分析框架-支撑体系的钢结构构件布置，对工程中常见支撑形式的作用效果进行比较，对常用支撑截面的经济性作了初步探讨。

石油化工；钢框架-支撑结构；柱间支撑；支撑截面

本文结合某石油化工项目中的聚合反应框架，探讨大型钢结构框架-支撑结构体系中如何考虑结构布置与支撑优化等相关问题。

1 工程概况

某石油化工项目中的反应框架，该结构下部为混凝土框架结构，上部为钢构架，采用桩基基础。该单元长45.25m，宽34m，高44m，最大跨度为9m。两个主反应器（R-201、R-251）操作重分别为310t、273t，充水重分别为500t、438t，皆坐落在混凝土框架上；钢结构上较重的设备主要有E-206、E-256，分别为140t、150t。设计参数为：基本风压0.57 kN/m2；地面粗糙度为A类；抗震设防烈度为6度（第一组）；设计基本地震加速度为0.05g（g为重力加速度）。框架的三维结构示意图见图1。

2 根据项目特点进行结构体系分析

反应装置的钢框架结构体系一般采用框架-支撑结构体系，钢柱往往采用H型钢，钢柱的强轴与钢梁刚接；钢柱的弱轴与钢梁铰接，并在弱轴方向设置适当的支撑以增强该方向的刚度。根据笔者设计经验，弱轴方向设置支撑后的侧向刚度将会比强轴方向大，为保证结构平面两个方向的侧向刚度相近，可在强轴方向设置适量的竖向支撑。

竖向支撑宜沿竖向连续布置。

本工程中8m层的设备布置图见图2，两个较重的反应器设备R-201、R-251分别坐落在04、05轴和05、06轴之间。由于设备操作以及停产时检修抽芯的空间要求、检修通道的走向，可将钢柱的强轴方向设为东西向（指北针参见图2），03、04轴和06、07轴之间设置柱间支撑，A轴钢结构立面图见图3所示（支撑宜设置在结构两侧，且左右对称）。

根据条件限制，反应器以及边上两个设备D-201、D-251所在区域不能设置竖向撑，可将C轴的钢柱转90°，即南北向，如图4所示。同时，C轴与D轴间设置柱间支撑以保证侧向刚度要求。

由于生产操作及检修要求，E轴上不能设置竖向支撑，参见图5所示，即钢柱的弱轴方向无竖向支撑，所以该轴无法提供足够的侧向刚度，需进行构造处理，增加该处楼板的水平刚度。而且，根据本工程特点，该轴线上不存在重型设备，对结构布置有利。为了加强楼层的水平刚度，必须设置水平支撑，参见图6所示。通过楼面水平撑将E轴框架与两侧D、F轴线的框架连成整体，有效传递水平荷载[3]。

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图1 聚合反应框架三维结构Fig.1 3D structure model of polymerization reaction

图2 设备布置Fig.2 Equipment layout

图3 A轴结构立面布置Fig.3 A-axis structure elevation layout

图4 C轴结构立面布置Fig.4 C-axis structure elevation layout

2.1 支撑分析及截面的比选

框架-支撑结构体系中，三、四级且高度不大于50m的钢结构宜采用中心支撑，也可采用偏心支撑；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[4]。

2.1.1 支撑形式分析

本工程中由于设备及管道布置复杂，对竖向支撑的布置及形式有一定的限制。根据该工程的特点，竖向支撑布置形式有如下几种，见图7。

假定图7中梁、柱、支撑构件都选用相同尺寸（梁HN200，支撑L100×10），作用相同的水平荷载，计算得到的结果如表1所示（数值无实际意义，仅供对比分析）。形式②、③的水平刚度最大，形式⑦水平刚度最小。

由于图7中的构件间距及尺寸的限定，支撑的角度不尽相同，结构概念分析中形式①往往是水平刚度最大的形式，但是由于支撑角度为32.0°，未完全发挥水平刚度增强的作用，而形式②、③的支撑角度为51.3°，支撑的水平刚度增强作用更为明显。

形式②、③的竖向支撑在弹性变形范围内受力及变形情况基本相同，此时形式③的竖向拉链柱基本不发挥作用。但是，在中震或大震作用下，人字支撑的受压腹杆可能受压屈曲，承载力迅速下降甚至失效，导致横梁在支撑处出现不平衡作用力，可能引起横梁破坏[5]。常规的做法是设置形式③中的拉链柱，这样可以避免受压支撑屈曲后的不平衡力产生的不利影响。

由计算结果可得，形式①、②、③、⑥的支撑效果最佳；形式⑤的支撑效果相对较好，但是支撑所受到的轴力较大，需选用截面较大的支撑；形式④、⑦往往是由于工艺空间要求的限制，所衍生出来的支撑形式，提供的水平刚度较弱，设计中应特别注意。

图5 E轴结构立面布置Fig.5 E-axis structure elevation layout

图6 楼面水平支撑Fig.6 Floor horizontal brace diagram

2.1.2 支撑竖向布置分析

石化项目中，由于设备及管道的空间要求，在有些情况下竖向支撑设置部位不能设置连续的竖向支撑，见图8所示。图中③～⑥所示为第二层结构层不能设置连续竖向支撑时的常用布置形式。

假定图8中梁、柱、支撑构件都选用相同尺寸（梁HN200，支撑L100×10），梁柱刚性连接，作用相同的水平荷载，计算得到的结果如表2所示（数值无实际意义，仅供对比分析）。形式⑥的水平刚度最大，形式②水平刚度最小。

图8 竖向支撑布置Fig.8 Vertical brace layout diagram

表2 支撑竖向布置受力分析结果Tab.2 Results of different arrangements of vertical brace

形式②为不设支撑的情况，水平位移非常大，不应采用此支撑形式。形式①为竖向支撑连续布置的情况，水平位移相对较小，支撑受力均匀，结构体系受力明确，边跨的梁柱受力合理。

形式③、④中二层支撑的轴力最大，引起与支撑相连的梁柱的内力增大，需局部重点加强。

形式⑤、⑥中的水平位移最小，支撑所受轴力相对较小，与支撑相连的梁柱的内力增加量较小，其中形式⑥的受力体系比较明确，传力连续，水平刚度强。

2.1.3 支撑截面经济性分析

钢结构的特点是自重轻，强度高，但是刚度相对较弱，所以需要设置适当的水平、竖向支撑以提供足够的刚度。支撑一般是两端铰接的构件，理论上只受轴向力作用，处于受拉或者受压状态。

可见，圆钢管截面形状的支撑经济指标最好，能用较少的钢材提供更强的承载力，T型钢支撑的经济指标次之。需要指出的是，由于圆钢管支撑的节点形式较为复杂，制作成本相对其它几种截面形状来说更高，因此建议根据项目中钢支撑节点的复杂程度以及钢结构制作公司的制作成本综合考虑，确定合理的截面形状。

2.2 节点构造

石油化工反应装置的特点是底部是混凝土结构，上部是钢构架，在设计过程中可以利用这个特点进行结构优化。

在底部钢支撑节点处，如图8所示，如支撑处于受压状态，将在节点处产生两个分力：水平力和竖向力。当钢支撑与钢柱相连接，由于安装地脚螺栓的空间要求，一般支撑设置在距柱脚300mm的位置，此时柱脚底端的钢柱将受到支撑传递的荷载，不利于钢柱截面的设计。所以，图9中钢支撑设置在混凝土的柱墩处，支撑传递的荷载由混凝土柱墩承受，钢柱仅承受上层结构传递的荷载，更有利于钢柱截面的优化。

2.3 设计控制指标

在本文讨论的项目工程中钢柱最大截面为组合截面H400×400×18×28，材质为Q345B，结构自振周期为1.05s，最大弹性层间位移角为1/596，满足多、高层钢结构弹性位移角限值1/250[4]。

表3 支撑截面形状分析[6]Tab.3 Analysis of bracesection shape

图9 钢构架底部支撑节点Fig.9 Diagram of bracejoint of steel frames and concrete construction

3 结论与建议

（1）对于石油化工钢框架的设计，应在充分理解并严格遵守相关设计规范规定及条文说明的基础上，针对项目自身特点，灵活布置，在保证安全的前提下，满足工艺等相关专业的要求。

（2）钢结构楼层宜设置水平支撑，以增强水平刚度，有效传递水平荷载。

（3）竖向支撑形式可灵活布置，文中形式①、②、③、⑥的支撑效果最佳；由于工艺空间要求的限制，支撑布置只能采用形式④或⑦，此时提供的水平刚度较弱，设计中应特别注意。

（4）从力学性能上分析，圆钢管截面形状的支撑经济指标最好，T型钢支撑的经济指标次之。然而，圆钢管支撑的节点形式较为复杂，制作成本相对其它几种截面形状来说更高，建议根据工程中钢支撑节点的复杂程度以及钢结构制作公司的制作成本综合考虑，确定合理的截面形状。

[1]刘鹏. 石化装置中高层钢结构框架设计[J]. 石油化工设计，2009， 26（ 4）： 11-13.

[2]汪桢. 石油化工装置大型料仓框架设计[J]. 化工设计， 2008，18（ 5）： 39-42.

[3]曹秋云. 羧基丁苯扩建装置结构设计浅析[J]. 医药工程设计，2005， 26（3）： 28-32.

[4]GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[5]倪光， 徐晓强. 石油化工框架的结构布置及设计方法[J]. 当代化工， 2015， 44（1）： 181-183.

[6]《钢结构设计手册》编辑委员会. 钢结构设计手册[M]. 第三版.北京：中国建筑工业出版社，2004.

Discussion of Design of Steel Braced-frame Structure Used in Petro chemical Plant

Wu Juanying
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

Understanding in design of steel frame structure used in petrochemical plant was introduced in this article. Combined with the design of frame structure in one polymerization reaction plant, the arrangement of the components in steel structure in bracedframe system was analyzed. The effects of several bracing structures commonly used in engineering were compared, and then the economy of different sectional shapes was discussed.

petrochemical industry; steel frame-support structure; column brace; bracing section

TU 391

：A

：2095-817X（2017）04-0020-006

2017-01-18

吴娟英（1967—），女，工程师，主要从事石油化工结构设计工作。