浅谈钢结构冷换框架支撑的设计

陈绍婷

摘要：在石化项目中，经常会遇到一些冷换框架，基本用于支承冷却设备、换热设备、卧式容器设备以及在框架顶层设置有空气冷却设备的钢结构框架。当运用结构设计软件PKPM进行抗震计算时，必须通过合理而又准确的结构形式，从而保证框架结构的强度和稳定。本文总结了已经做过的冷换框架的情况，对结构的方案设计、荷载输入、地震作用计算以及不同结构类型支撑的设计分析等几个方面进行了阐述。

Abstract： In petrochemical projects， some cold exchange frames are often encountered， which are basically used to support cooling equipment， heat exchange equipment， horizontal vessel equipment and steel frame with air cooling equipment at the top of the frame. When the structural design software PKPM is used for seismic calculation， reasonable and accurate structural form must be adopted to ensure the strength and stability of the frame structure. This paper summarizes the situation of the cold exchange frame that has been done， and expounds the structural scheme design， load input， earthquake action calculation and design analysis of different structural types of supports.

关键词：冷换框架;地震作用;抗震验算;结构分析

Key words： cold exchange frame;earthquake action;seismic check;structural analysis

中圖分类号：TQ050.3                                   文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）27-0096-02

0  引言

石油化工行业中的建、构筑物的设计的首要任务是满足生产工艺的生产需求，而土建是设备、工艺管线的支撑和基础。尤其是用于支撑各类设备的钢结构冷换框架结构，在结构设计方面也存在其特殊性。由于冷换框架支承设备的特殊性，其承受的荷载具有多样性，所产生的水平荷载较大，为保证结构的安全以及工艺要求，冷换框架。因此冷换设备框架常采用框架-支撑结构形式，增加抗侧力的刚度，以适应各种情况的出现。本文主要通过具体工程实例的计算，对此进行了详细的对比介绍。

1  工程背景

1.1 项目概述

本工程为陕西省榆林地区某炼油厂装置技术及配套设施改造项目中，连续重整装置中的SS2冷换框架。

1.2 自然条件

根据项目工程场地地震安全性评价报告规定，相应于设防烈度的设计基本加速度为0.05g，地震设计特征周期为0.35s，抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为II类。框架的安全等级为二级，抗震设防类别为丙类，结构抗震等级为四级。基本风压值取0.4kN/m2。

1.3 设备、布置条件

本工程框架顶标高20.500m，局部坐标为26.200m;框架结构平面尺寸为31m×8.7m，纵向5跨，横向1跨;框架上7.000m平台上支撑5台卧式容器，2台换热器;14.500m平台上支撑5台换热器;20.500m平台上支撑有3台空冷器;局部坐标为26.200m的平台上支撑1台换热器。卧式容器和换热器通过设备支座与支撑梁连接;空冷器通过采用地脚螺栓的形式，与框架柱顶部直接连接，局部与支撑梁连接。

2  荷载及地震作用

2.1 荷载分类

依据规范要求，冷换框架上的荷载可分为永久荷载、可变荷载。永久荷载包括结构自重、设备及管道自重、设备及管道保温层重;可变荷载包括设备操作介质重，设备充水重，空冷器风机和电机的当量荷载，平台均布活荷载，风荷载。框架上支承的设备不同，其荷载形式也有所区别。例如，冷换设备在计算时必须考虑的一项可变荷载就是停产检修时的抽芯力，但与其他可变荷载相比，抽芯力具有作用持续时间很短、两次作用之间的间隔时间较长的特点。因此，严格的讲，抽芯力是有别于诸如楼、屋面活荷载、风荷载等可变荷载的一种荷载，因此其在检修工况下进行荷载组合时，相应的组合值系数及分项系数是有所区别的。

2.2 地震作用

《抗规》指出，6度时的建筑符合有关抗震措施，可不进行截面抗震验算，但对于冷换框架，由于存在重量较大的设备，将会造成各楼层重力荷载代表值较大，且存在各层质量比较大，即便是在6度区，其所产生的地震作用不容忽视，必须进行地震作用计算及抗震验算，并采取相应抗震措施。

2.3 风荷载

结构的风荷载应包括梁、柱、斜撑、栏杆和设备所承受的风荷载。计算风荷载时应考虑前后每榀框架、前后设备之间的相互遮挡。计算卧式设备时应考虑设备支座的挡风面积，设备的风荷载体形系数，沿卧式设备纵向取1.3，沿单放设备横向取0.7，沿叠放设备横向取1.2。并且需要考虑设备风荷载产生的弯矩对设备梁及框架的影响。

2.4 荷载组合

冷换框架设计的荷载效应组合常存在四种工况：正常操作工况、停产检修工况、充水试压工况和地震工况。在工业生产过程中，在不同的工况下，对不同的构件产生最不利组合，因此，往往要对各工况进行详尽分析，寻找出最不利组合。利用PKPM进行计算工业构筑物时，应对各工况的进行自定义组合，并注意各种工况下荷载分项系数及组合值系数的调整：①操作介质重的分项系数，对结构不利时取1.2，对结构有利时取1.0，组合系数为1.0;②空冷风机和电机的当量荷载，分项系数为1.3，组合系数为1.0;③充水荷载，分项系数为1.1，组合系数为1.0。

冷换框架的荷载效应组合详见表1。

3  结构分析

工业构筑物中，常采用纯钢框架结构、框架-支撑结构等结构形式，对于冷换框架这种为设备服务的结构形式，常采用框架-支撑结構形式，其相较于纯钢框架结构形式有其明显的优势，以下通过两种不同结构形式的模型建立及其计算分析所碰到的问题做了介绍，并对这两种不同结构形式进行了对比：

3.1 计算模型

3.1.1 框架-支撑结构

由于冷换框架上设备较多，并且顶部有空冷器，为了生产操作更方便，设备梁需要纵向布置，框架横向布置成框架-支撑体系，因此，框架柱的布置方向为沿纵向是强轴方向。众所周知，在支撑-框架体系中，增设X撑的框架-支撑结构体系其抗侧刚度优于人字支撑-框架体系，但是考虑到管道布置的因素，X撑常与管道布置发生冲突，因此本工程选用人字支撑-框架体系。

在模型建立时，针对冷换框架结构特殊性，需要注意以下几个方面问题：

①柱间支撑的计算长度，平面内底层为L，其他层为0.8L;平面外底层与其它层均为L，其中L为支撑平面内、外的几何长度;支撑的长细比，受压为150，受拉为300，根据工程实践经验，此项目中，长细比控制在200;

②柱的计算长度，平面内为强轴方向，未打撑，由软件通过有侧移计算得出，平面外为弱轴方向，有柱间支撑，根据《抗震规范》及《石油化工钢结构冷换框架设计规范》要求，层间相对位移与层高之比值不宜大于1/250，按照无侧移结构计算，长度系数取1.0;

③建模时，尽量使结构布置简单明了，除框架梁以外，只需要布置设备支撑梁及必要的平台梁，并且如果设备梁上有水平操作荷载，需要单独验算此梁平面外强度及稳定性;而在实际施工中，通常在安装大型设备的两个支撑梁之间，垂直增加一根或两根此梁，以便相互约束，避免设备梁发生扭转;

④梁柱连接节点采用双向刚接的焊接节点，等强连接，通过大量经验表明，等强连接既能保证强度要求，又能为方便后期施工图绘制，提高效率;柱间支撑节点同样选择等强连接，并根据《抗震规范》乘以1.2的连接系数。

3.1.2 框架结构

这种方法是直接建立钢结构框架模型，模型中并不包含柱间交叉支撑，即在计算中不考虑柱间支撑对结构抗侧力性能的影响。

3.2 设计结果对比

通过使用PKPM软件分别对两种结构形式进行计算，通过对：水平荷载作用下顶层侧向位移及位移角;地震荷载作用产生底层最大剪力;构件验算;振动周期与扭转角度，进行对比可知：

①冷换框架结构中，柱间支撑在抵抗侧向力时，发挥重要作用;增加柱间支撑，能有效减小顶层位移与位移角; ②增加柱间支撑，能有效地将构架上的荷载，传至框架柱底层，直接作用在基础上，将不再对框架柱造成过重的负担，也能减小框架柱截面;③冷换框架结构中，在承受设备荷载的框架梁下增加柱间支撑，能有效减小框架梁的应力及挠度，提高框架梁整体稳定性;当框架不设支撑时，为了满足承载力要求粱、柱的截面都需要很大，因此会造成浪费，并且加支撑比增加粱、柱的刚度更为有效;④框架-支撑结构，振动周期小，并且扭转的角度很小，能更好的满足冷换框架的变性要求，避免由于扭转过大，框架上设备所产生的附加荷载对结构造成不良影响。

4  结论

本文通过冷换框架结构的工程实例，介绍了该结构在计算中所存在的注意事项，并进行了相应的结构分析，对今后的工程设计起到了一定指导作用。

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