空冷器钢结构构架的设计应用分析

李明鑫

摘  要：空冷器具有节能减排、经济效益突出的优点，在国内外诸多缺水地区具有广泛应用。考虑到空冷器钢结构作为核心支撑部件，对整个设备的抗风效果、抗震效果等有直接影响，相应空冷器构架的设计必须引起足够重视度。新时期，空冷器钢结构的设计工作逐渐完善，大跨度构架支撑的应用日趋增多，相应的构架载荷设计工作难度增加。文章针对钢结构构架的设计应用进行了详细探讨，结合受力模型、内力计算等进行了分析，提出构架设计的重点注意事项。

关键词：空冷器;钢结构;构架设计

中图分类号：TU72         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）21-0097-02

Abstract： Air cooler has the advantages of energy saving， emission reduction and outstanding economic benefits， so it is widely used in many water shortage areas at home and abroad. Considering that the air cooler steel structure， as the core supporting component， has a direct impact on the wind resistance and seismic effect of the whole equipment， enough attention must be paid to the design of the corresponding air cooler frame. In the new period， the design of steel structure of air cooler is gradually improved， the application of long-span frame support is increasing， and the corresponding frame load design is more difficult. In this paper， the design and application of steel frame is discussed in detail， and combined with force model and internal force calculation， several key points for attention in frame design are put forward.

Keywords： air cooler; steel structure; frame design

前言

空冷式热交换器是当下较为常见的换热设备，应用中具有成本费用低、节水、污染小的优势，在当下石油企业、炼化企业、电站企业中均具有较为广泛应用。钢结构构架是空冷器中的重要部分，多为空冷器供货商制造设备。相比于空冷器的管束设计工作而言，钢结构的优化设计更具灵活性，全面提升空冷器钢结构设计的优化是新时期设计人员的重要工作。钢结构设计工作的合理与否对整个项目的投资、结构安全性等都具有影响，可为空冷器制造商提供更加明显的竞争优势。

1 钢结构构架设计特点及新型钢结构的优势

传统空冷器的构架设计中，一般多采用两跨三柱的模式，从缩减原材料开支的角度出发。新时期，空冷器构架设计中，可缩减中间支撑柱作用，不但实现了材料费用的缩减，同时可为下部区域提供更加广阔的空间，如图1所示。这一优化设计可明显提高后续操作维修的便利性。工程实践经验表明，中间立柱的缩减，可降低空冷器对土建基础方面的过多限制，整个操作更具合理性，工艺设计便利度明显提升。

一般空冷器构架材料主要采用工字钢、斜撑多为双角钢。新时期，构架立柱的桁架、腹杆等均借助H钢设计。其优势总结分析如下：第一、加工成本低、焊接工作量缩减，明显降低了施工周期的影响，整体制造更具合理性、便捷性。第二、双角截面钢的防腐处理中，借助H型钢进行设计，后续防腐效果有所提升，可提高设备的耐用性、稳定性。高温环境、高压环境下更具优势。空冷器一般应用于高温、腐蚀性的环境中，环境中存在大量酸性气体，极易对钢结构产生腐蚀作用。借助新型钢结构模式，空冷器的整体抗腐蚀性能有所改善。第三、H型钢使用中，可保证塑性变形、截面特性等不受影响，在特大阵风、甚至台风的状况下，整体设备仍具有较高的抵抗力。综上，新时期，构架设计工作更加完善，整体优势突出，经济效益较为明显。

2 结构设计分析

2.1 钢结构构架的设计软件

空冷器构架的STS软件，该设计主要是借助中国建筑科学研究院开发的STS软件进行处理。这一钢结构设计软件在使用中，可快速完成钢结构的模型输入、结构设计、应力分析、构建验算等操作，在节点设计和施工图设计处理中具有较为显著的优势。该软件在钢桁架、多层框架、支架、框架结构中均具有成熟应用案例。STS软件使用中，可依托在现有平台方面进行处理，相关平台一般设置了较为完善的型钢材料库。库内包含型钢截面、结构组合截面、焊接截面等诸多形式。借助STS软件，可快速完成结构模型的搭建，在复杂空间环境中具有明显的适用性。

2.2 承载力和变形的设计分析

借助STS软件处理，经由二维建模处理，可快速实现活载荷输入、构建内部计算、外部分析计算、截面优化处理等。整体结构设计工作更具便捷性。空冷器构架的形式一般具有一定的规律性，可将其进行简化处理，针对平面框架等进行计算，保證设计精度满足对应规范要求、工程要求即可。

2.2.1 杆件的输入

借助STS框架模块进行处理，便可完成平面框架结构的计算，进而开展对应设计工作。上述模块可针对梁、柱完成输入处理。前者包括剪切变形、弯曲变形的影响，但是并未考虑杆件影响;后者则充分考虑了轴向、剪切、弯曲三方面的作用。从中可以看出，STS软件进行平面框架模块分析后，可快速完成空冷器构架横梁的设计，在腹杆、弦杆处均可进行输入处理，从而快速得到变形、内力作用结果。

2.2.2 杆件长度的设计

为了进行构架结构承载力的确定，必须及时对杆件长度进行合理设计，一旦长度输入存在缺陷，整个构架的结构设计便会埋下重大隐患。杆件长度的设计中，必须严格遵照GB50017内容。相关设计人员可在STS中进行计算长度的输入，软件经由横梁、立柱刚度、相对效果等信息进行平面内外长度的分析，并得到相应结果。

2.2.3 载荷处理分析

在钢结构设计中，恒载荷、活载荷必须与实际情况相符。一般不会发生活载荷当做互斥载荷输入的状况。STS载荷组合环节中，一般不会出现互斥载荷被组合在一起的状况。经由软件相关功能的使用，一般可自动添加风载荷的作用，由于空冷器构架均为室外布置，在进行立柱风载荷分析中，应尽量采用手动添加处理，上述操作与实际情况将更为贴近。

2.2.4 约束条件

借助STS软件，设计人员可借助钢接、铰接等进行约束处理，保证节点输入结果与实际情况一致即可。

2.2.5 计算结果的分析与处理

经由STS结果展示功能，设计人员在输入相关参数、约束条件后，便可得到结构简图。然后便可进行截面尺寸、载荷数值的校核。计算后，经由软件可完成结果的全面展示，结果中一般包含载荷组合后的图纸、载荷作用影响下的结构位移等。借助上述结果便可快速進行钢构架设计合理与否的全面判断。

2.3 抗震计算

中国作为地震多发地区，在空冷器钢构架的设计中，必须充分提高钢结构的抗震效果。对空冷器设备而言，一般并非单独存在，抗震设计中必须充分考虑平台高度、平台顶端等部件的影响。为此，钢构架抗震性能计算中，要充分考虑土建平台结构的作用，结合其整体效果进行分析。

首先，经由STS软件，完成空间模型的构建，结合对应框架结构完成三维模型的初步构建。模型搭建中，可结合具体参数完成下部混凝土结构的输入，而上部空冷器构架则要借助斜撑、横梁等完成输入。其次，载荷的输入，恒载荷要结合具体情况进行实际条件的输入，活载荷则要考虑风机等动设备的影响。考虑到构架、下部混凝土结构等均为开敞条件，在模型处理中，需人工手动输入风载荷数值。

其次，地震参数的输入。钢构架设计中，要结合项目所在地、当地勘测条件等进行抗震设防要求的确立。同时相关设计人员要充分考虑阻尼比等对地震力的影响分析。为了保证钢结构设计的合理性，在阻尼比设置中，一般可选择0.04、0.045等数值。

最后，钢结构计算结果的查看与分析。借助STS软件，相关设计人员可进行扭转偶联振型分解法完成地震力的计算。结合钢结构的下沉位移、振动周期等进行结果分析。保证应力比、混凝土配筋等结果的合理性。

2.4 构架设计注意事项

空冷构架设计中，必须结合框架结构进行分析和计算。STS软件可充分应用系统各项功能完成自动处理。但是构架设计中，要结合下部条件、地震反应差异性等进行妥善控制。当借助整体模型进行分析计算时，STS一般不可进行活载荷互斥处理，可能无法模拟真实状况。因此，需结合二者分别计算结果进行分析，方可得到最优化结果。

钢结构构架在实际应用环节中，需充分考虑制作误差、安全问题等状况的发生。为了降低预制环节偏差等导致的缺陷问题，降低现场安装问题发生几率。相关设计人员需加强对应问题的分析，必须及时进行螺栓定位的合理设计。也可借助焊接固定方法来提高安装施工的合理性。在工程实际处理环节中，上述设计方法更具合理性、优势突出，已经得到安装人员的认可。首先，现场安装中，可降低零部件加工误差等导致的缺陷，弥补了加工缺陷，整体安装速度、安装质量等均有所提升，有效避免了定位不精细等带来的危害。其次，钢结构稳定效果有所提升，在空冷器投入使用后，由于钢结构构架设计方面的优化，空冷器整体安全效果可得到较大保障。

3 结束语

空冷器具有较为广阔的发展空间，本文结合钢结构构架的设计要求、新型构架特点等进行了分析，提出当下构架涉及到具体流程、设计注意事项。空冷器进行设计中，必须充分考虑工艺要求、设备条件、土建影响等要素，从整体经济效益出发进行分析。构架设计对空冷器的发展具有极大影响，是提高空冷器供货商竞争实力的重要保障，必须引起足够重视。国内诸多炼化企业已经投入了新型钢结构模式，具有运行效果良好的优势，值得同行人员进行借鉴。

参考文献：

[1]杨彦.蒙皮效应在钢结构设计中的工程比对及应用分析[J].中国建筑金属结构，2013（16）：16-18+27.

[2]沈在海.某工程钢结构施工组织设计应用分析[J].中华民居，2011（10）：88-89.

[3]刘媛.RKPM钢结构节点设计程序的改进[D].西安：西安建筑科技大学，2011.