反应器与楼梯间联合基础的计算探讨

倪光 王乐远

摘      要：在石油化工装置中，反应器楼梯间为很常见的一种构筑物，反应器与楼梯间的基础常常发生碰撞，为了对其计算方法进行研究，探索简便、有效的计算方法，从以下几个方面进行了讨论：在设计思路上，首先应该判断反应器基础与楼梯间基础是否碰撞，其次则是进行荷载的简化;对于荷载的分配，需要同时考虑垂直力、弯矩和水平剪力，并根据规范对各项内力的分配进行加成;对于计算软件的选用，推荐PKPM与SACD结合使用;对于相关的设计规定及构造要求，文中提出了一些比较重要的且易被忽略的要求;最后，在工程案例中，结合计算软件对实际的操作方法进行了演示，并对设计的注意事项进行了总结。

关  键  词：石油化工;反应器;楼梯间;荷载分配;联合基础

中图分类号：TU 323.5       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）05-0910-04

Abstract： In petrochemical units， reactor staircases are very common special structures. Collision often happens between reactor foundation and staircase foundation. In order to study the calculation and analysis method， and explore the simple and effective calculation method， several problems were discussed as follow： For the design ideas， whether the collision of reactor foundation and staircase foundation happen or not should be judged first， and then simplification of loads should be considered. For distribution of loads， vertical forces， bending moments and horizontal shear forces need to be considered together， and then all internal forces should be distributed and added together in accordance with the code. For the selection of calculating software， PKPM and SCAD were recommended. For the relevant design regulations and construction requirements， several important requirements that are easily ignored were proposed in the article. At last， in the engineering case， with the help of calculation software， practical operation process was demonstrated; matters needing attention in the design were summarized.

Key words： Petrochemical industry; Reactor; Staircase; Load distribution; Combined foundation

在石油化工装置中，反应器楼梯间为很常见的一种构筑物，反应器布置在楼梯间范围内，由于反应器与楼梯间的质量及刚度有差异，因而自振周期也同样有差异，设计中尽量独立考虑，但有时限于装置的场地较小，楼梯间的轴网间距较小，容易发生反应器基础与楼梯间基础的碰撞问题。若反应器基础与楼梯间的基础并没有碰撞，则可各自计算并布置基础;若二者的基础发生碰撞，则需要对二者的基础进行联合布置，此时在联合基础的分析计算中，需要综合考虑反应器及楼梯间传至基础的荷载，并对该联合基础进行计算分析。为了探索尽量符合实际情况的计算方法，且兼顾计算的简便易行与工程要求的精度，本文从设计思路、荷载的分配、计算软件的选用、相关设计规定及构造要求以及结合工程案例对该类结构的计算进行探讨，分析建模计算及细部构造中的注意事项，并结合石化系统内常用的计算软件给出一种可行的计算方法。

1  设计思路

在设计反应器楼梯间的基础时，首先应各自计算反应器的基础与楼梯间的基础，判断二者是否碰撞。若并不发生碰撞，则情况比较简单，可以分别单独布置各自的基础;若二者的基础发生碰撞，则需要协同考虑二者的共同影响。楼梯间框架柱荷载传至联合筏板基础上时，可简化为点荷载，但反应器基础一般为圆柱式基础，而且通常尺寸很大，若简化为点荷载传至联合基础上，则造成反应器中心处集中荷载很大，并不符合实际的情况且容易造成基础的局部荷载很大，对采用通长配筋的筏板基础来说，筏板的配筋将偏大。鉴于反应器与圆柱通过螺栓连接，根据《石油化工塔型设备基础设计规范》SH/T 3030-2009中荷载分配的有关规定，笔者建议可以做如下简化：将反应器底部的荷载分配到每个螺栓处[1]，即可较为均匀的传至基础，这样也比较符合实际的受力情况。

2  荷载的分配

反应器通过地脚螺栓与基礎相连，荷载也通过各个螺栓进行分配，因为反应器传至基础顶面处有垂直力、弯矩和水平剪力，所以在对各螺栓点进行荷载分配时，不能只考虑垂直力的分配，还需要考虑到水平剪力的分配以及弯矩对各点的加成作用，弯矩对一侧的螺栓处是增加垂直力，对另一侧则是削弱垂直力。可根据《石油化工塔型设备基础设计规范》中的相关规定来进行荷载的分配，其中垂直力与水平剪力可按8.4.1条的规定平均分配至各螺栓点处，弯矩可按附录C的表C.1进行计算[2]。

3  计算软件的选用

对于楼梯间的计算，国内项目建议采用PKPM设计软件，对于满足国内的规范、出施工图的便利与快捷等方面，相比于其他的结构设计软件均具有很大的优势。

为了得到反应器的底部内力，可以采用石油化工特种构筑物软件SCAD来完成，在SCAD下有CTCAD模块，可以用来进行反应器的计算，可以得到圆柱支墩的计算结果，并可在计算结果中取出“塔底内力”进行分配至各螺栓点处，然后便可以将所分配荷载布置在PKPM中所建的模型上进行计算。

具體操作时，可在各螺栓点处布置柱，在柱之间设置支撑，用来模拟支墩的整体性，在柱顶布置所分配的荷载，在基础计算模块中对楼梯间与反应器的各柱布置联合基础，该荷载便可传至基础，从而进行联合基础的计算。有必要指出的是，该做法并不能完全符合圆柱支墩的实际情况，但考虑到计算软件计算功能的局限，且该做法可以模拟荷载的传递情况，可认为所计算得到的筏板基础计算结果满足工程的精度要求。

4  相关设计规定及构造要求

（1）在操作状态下，基础底面零应力区面积不应大于基础底面积的25%;在地震状态下，基础底面零应力区面积不应大于基础底面积的15%[3]。

（2）基础的埋深应综合考虑地基情况、冻深、相邻基础以及地下管道等因素，且不宜小于1.5 m[3];当基础邻近存在腐蚀性的储槽时，基础底面低于储槽底面的高度最小为500 mm，采用桩基础时，最小埋深不宜小于2.5 m[4]。

（3）基础底板厚度不宜小于800 mm[2]，应采用双层双向配筋，受力钢筋的最小配筋率为0.15%;当板厚大于2 m时，宜在板厚中部设置双向钢筋网，直径不小于12 mm，间距不大于300 mm[3]。

（4）当基础处于腐蚀环境中时，基础、垫层的防护要求上应遵守《工业建筑防腐蚀设计标准》GB/T50046-2018的相关规定。

5  工程案例

以下根据笔者负责设计的某项目中反应器楼梯间来讨论该类联合基础的设计。该反应器楼梯间为双跨结构，轴网尺寸为6 m×12 m，反应器R-101外径为2 700 mm，地脚螺栓20M48，R-102外径为3 000 mm，地脚螺栓20M56，平面图见图1。

根据《建筑抗震设计规范》8.1.5的规定，采用框架结构时，甲、乙类建筑和高层的丙类建筑不应采用单跨框架，多层的丙类建筑不宜采用单跨框架[5]，故在A、B轴的两柱之间设置支撑以避免出现单跨框架，支撑见图1中粗虚线显示。平台上铺设钢格栅板 ，根据《石油化工构筑物抗震设计规范》，每层均设置水平支撑[6]，根据上述专业所提供的条件以及地基条件，首先用PKPM建模，计算楼梯间的基础，得到楼梯间基础的轮廓如图2：

根据上述专业所提供的反应器基础设计条件，用CTCAD进行试算，得到反应器R-101、R-102的基础轮廓（虚线表示）如图3，此时两个反应器基础已经发生碰撞。

综合考虑图2及图3，将楼梯间基础及反应器基础布置在同一个图中，如图4：

可以看出，不仅两个反应器基础已经发生碰撞，楼梯间基础与反应器基础均发生碰撞，故必须考虑将两个反应器及楼梯间联合设计基础。

从R-101的计算结果中得到反应器基顶受力情况如下：垂直力N = 2 354 kN，M = 2 196 kN·m，V =199 kN。根据SH/T 3030-2009中8.4.1条及附录C的表C-1可得如下结果，见图5：

从R-102的计算结果中得到反应器基顶受力情况如下：垂直力N =7 182 kN，M =5 031 kN·m，V=238 kN。根据SH/T 3030-2009中8.4.1条及附录C的表C-1可得如下结果，见图6：

将上述计算所得荷载输入PKPM楼梯间的模型中，在反应器基础各螺栓点处布置柱，柱间设支撑，将荷载布置在柱顶节点，楼梯间首层模型见图8：

然后进入SATWE进行上部结构的计算，满足各项计算指标后，转入JCCAD计算，在框架柱与两个反应器所围区域布置联合筏板基础，设置好相关的地基参数后即可计算，本例取筏板厚度0.8 m，混凝土强度等级C30，钢筋采用HRB400钢筋，得到筏板基础的计算内力及配筋结果，见图9：

需要注意的是，上述荷载分配及后续计算中，假定水平力为自下向上，然而在实际情况中，由风、地震作用引起的水平力方向可能是自上向下，也可能是自左向右或自右向左，故这几种情况均应分别考虑，以得到最不利的计算结果，即在工程设计中，应采用包络设计的方法，保证结构计算的结果安全可靠。

若是将反应器的底部内力按点荷载布置在筏板基础上，则与实际荷载分布相差较大，造成筏板的计算内力及配筋结果会变大，与实际情况相比，造成巨大的浪费，按集中荷载布置的计算结果，见图10-1，可见，筏板底部的配筋远大于正常计算结果。

通过上述荷载分配的计算过程可知，弯矩对某一侧的基础是削弱垂直荷载的影响，对另一侧是增加垂直荷载的影响，若是并没有考虑弯矩的不利影响，只考虑垂直力在各螺栓点处的平均分配，与实际的受力情况则不符，得到的结果也偏于不安全，本例也给出按平均分配所得的计算结果见图10-2。

综上可见，后两种情况与实际情况差别非常大，为不可取的方式，同时在设计中亦应注意各种最不利的情况，并采用对称配筋设计该类基础。

6  结束语

对于反应器与楼梯间联合基础的计算，首先应该研究相关的规范，对荷载的分配与传递要有一个明确的认识，同时要立足于力学模型的分析，尽量使计算模型接近实际的情况，保证荷载分配的合理性，综合各种工况确定最不利的情况，同时熟练掌握各类软件的功能，这样才能灵活运用各种软件，力求保证结构的安全性、技术上的合理性以及结构的经济性。本文根据现有软件的功能设置，探索反应器与楼梯间联合基础的设计方法，力求简便易行、安全可靠。在结构设计中，要把每一个结构当成一件作品，精心设计，这也是一名工程技术人员应有的态度和追求。

参考文献：

[1] 倪光，吕辉，沃拓征，等. 支承塔型设备的框架的计算探讨[J]. 当代化工，2018，47（7）：1433-1436.

[2] SH/T 3030-2009，石油化工塔型设备基础设计规范[S].

[3] SH/T 3066-2017，石油化工反应器再生器框架设计规范[S].

[4] GB/T 50046-2018，工业建筑防腐蚀设计标准[S].

[5] GB 50011-2010（2016年版），建筑抗震设计规范[S].

[6] SH 3147-2014，石油化工构筑物抗震设计规范[S].