浅析工业设备支撑体系方案优化的思路

张国斌

【摘  要】设备承重支撑体系是一种特殊的结构形式，在我国工业项目中的应用范围越来越广，设备支撑结构体系类似于民建钢框架结构、钢框架-支撑结构体系。重型设备的支撑点主要集中在结构体系的局部楼层，导致上下楼层质量、刚度比例偏差较大，设备布置偏心，不满足抗震设防要求[1]。随着传统工业的工艺技术不断革新、新型工艺技术的发展、重型设备的出现，优化钢结构承重支撑体系势在必行。在满足承载能力和使用要求的前提下，可打破常规规则与相对不规则结构形式间的界限。依据结构专业设计条件[2]、操作楼层和承重楼层分别设计的优化思路，对降低钢材用量、节约项目成本具有现实意义。鉴于此，论文主要对现阶段工业承重体系的优缺点进行分析，提出其承重钢结构体系优化的构想和措施。

【Abstract】Equipment load-bearing support system is a special structural form that is widely used in industrial projects in China， and the equipment support structure system is similar to the steel frame structure of civil buildings and steel frame - braced structure system. The support point of heavy equipment is mainly concentrated in the partial floors of the structural system， which leads to large deviations in the mass and stiffness ratios of the upper and lower floors and the equipment is arranged off-center， which do not meet the requirements for earthquake fortification[1]. With the continuous innovation of process and technology in traditional industry， the development of new process and technology and the emergence of heavy equipment， it is imperative to optimize the steel structure load-bearing support system. Under the premise of meeting the load-bearing capacity and use requirements， the boundary between conventional regular and relatively irregular structural forms can be broken. According to the structural professional design conditions[2]， and the optimization idea of separate design of operation floor and load-bearing floor is of practical significance to reduce steel consumption and save project cost. In view of this， the paper mainly analyzes the advantages and disadvantages of the industrial load-bearing system at current stage， and proposes the concept and measures for the optimization of its load-bearing steel structure system.

【关键词】设备支撑体系;方案优化;工艺技术;重型设备

【Keywords】equipment support system; scheme optimization; process and technology; heavy equipment

【中图分类号】TB491                                             【文献标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2021）04-0120-02

1 引言

随着国民经济的增长，工业企业迅速发展，钢结构用量越来越大。工艺条件不断改进和技术加速革新，大型承重設备支撑体系方案形式多种多样，不同的设计单位所设计的钢结构支撑形式和思路各不相同，暴露出方案设计方面的许多缺点和不足。钢构件截面形式主要有H型钢、箱型钢、T型钢及组合截面形式等，钢材强度高，相对砼构件，截面稳定性差。不同截面布置形式，抗扭、抗弯性能不一样。所以设计者应与工艺人员充分协调沟通，优化工艺设备布置，主要包括：特重设备宜布置在支撑体系的底层楼面且居中布置;调整工艺管道和设备布局尽量使框架承重体系保持整体统一，优化每一个构件，使构件之间内力和变形协调一致，减少应力突变;将承重部位构件与结构的最佳受力状态充分发挥，提高结构的延伸性和整体性，增强结构整体刚度和与施工抗倾覆能力;调整楼平面布局，使结构的平面的质量中心与外力作用中心最大化地重合，减小偏心，防止受到外力影响，使得结构出现扭转效应。结构承重体系的优化必须将结构承受荷载与相应内部应力现象通过简单的形式标注。所以通过研究结构体系承重部位、结构整体布置、材料强度应用、结构特点、地理环境等设计要素来实现构件应力等结构最轻设计方法，通过软件多次迭代计算[3]，优化结构方案体系，具有现实意义。

2 承重结构体系方案优化的思路

2.1 底部楼层布置重型设备的支撑框架形式优化思路

对于支撑体系框架，重型设备支座处，设备荷载和楼层质量最大，承重层以上多层仅为操作检修荷载，质量较小，上下层质量比相差大。外荷载主要集中在承重层，楼层水平地震作用的上下分布极为不均。为了满足框架楼层抗剪承载力不突变和构造要求，上下楼层各竖向抗侧力构件截面尺寸偏差不能过大，否则不能满足《构筑物抗震设计规范》中的结构体系规则性要求[4]，对于其他承受水平力较轻，检修操作层的立柱截面尺寸相对过大，造成材料成本浪费。

当前，应打破常规设计思路，满足大震不倒理念;增强承重支点部位以下抗侧刚度;保证结构体系的整体抗倾覆力矩;满足承重部位各构件的弹性承载力要求;使操作检修层的部分构件塑性变形并满足使用要求。具体优化思路包括：因承重层的梁柱节点处框架梁截面尺寸较大，梁线刚度远大于柱，不能满足强柱弱梁要求[5]，在巨大水平力作用下，柱端容易发生塑性变形而屈服，引起结构整体倾覆。以承重层为分界面，上下采用两种结构体系模式，承重层框架梁采用梁贯通形式，上部各层为楼层检修荷载，其各层质量均匀，无质量突变，采用框架结构体系。下部为主要承重抗侧力体系，且质量主要集中在承重层，下部采用框架-支撑结构体系，竖向构件不满足抗侧力的方向均设竖向支撑。这种混合结构模式，增大主要承重部位竖向构件截面尺寸，减小次要操作层构件截面尺寸，既节约钢材，又降低工程成本，而且施工安装方便，在承重体系优化方面具有借鉴意义。

2.2 结构楼层平面体系和选材优化思路

大多数室外露天工业承重结构体系的楼层面均采用钢格栅板，格栅板对楼面次梁平面外约束忽略不计。满足工艺设备布置和检修操作的要求，尽量简化布置次梁，并设置楼面水平斜支撑，增加楼面刚度，节约钢材。改变相邻楼面次梁布置方向，适当增设垂直于跨度较大次梁间短次梁，调整楼面刚度，节约资源，一般情况下，楼面次梁间距宜按2～2.5m布置，比较经济。

结构构件的设计实质，就是构件材料的组合和选择，充分利用材料的受力性能和截面属性。不同强度等级的钢材，如Q235和Q355的组合比较多[6]，一般情况下，结构构件强度要求高，而稳定性要求低的部位，宜选用Q355材质;稳定性要求高，而强度要求低的部位，宜选用Q235材料。钢结构承重体系的次要构件，一般以Q235钢材为主。结构体系优化的实质就是设法使各构件的布置满足各方向外力的明确传力途径，减少外力传递途径，使力的传递少走弯路;通过软件的反复试算，使每个结构构件受力变形合理均衡;最终使结构体系安全、经济、美观、可靠、合理，使工程项目降低成本、节约钢材。

3 支撑体系优化的前提

3.1 了解承重结构体系的内在特征

不同的结构承重支撑体系方案，优化和设计的方向、思路不一样。宜从以下几个方面考虑认识结构体系的特点：项目设备的吨位和立卧方位、支吊点部位、结构节点的连接方式、结构体系形式、支撑框架的作用、现场施工运输要求、安装加工方式。依据项目特点和支撑体系的作用，进行有针对性的优化和调整措施。例如，重型高位设备的支撑框架，其主要特点是设备外荷载质量主要集中在框架的局部，地震引起框架局部水平力太大，结构体系整体受力不均匀，抗震概念要求很难满足。不同的结构体系，其本身特点和要求不一样。着重考虑和优化水平力传递路径及次梁的不同方位布置形式，提高抗侧高度和抗倾覆力矩。

3.2 了解结构优化的外在影响因素

设备支撑体系，不能等同于《高层民用建筑钢结构技术规程》中的民建结构体系形式，其楼层高度和恒荷载质点随工艺要求不同而不同。各层高度和楼层质量各不相同，且大多数工业支撑结构均为无维护体系的露天结构，受高温设备、高温管道、震动荷载、热辐射、火灾等环境因素影响很大。结合项目工艺设备具体要求，不能仅依靠软件的内力计算确定构件的布置和截面形式，还宜综合考虑结构的基础形式、场地特征、地震烈度、室外工作温度、风雪影响和周围其他装置危险级别等进行优化和调整。

4 结论

承重支撑体系钢结构是现阶段工业项目中支撑重型设备普遍运用的特殊结构支撑形式，不同于民建结构体系中的钢框架结构、钢框架-支撑结构等形式，越来越被行业所关注。该结构体系有其自身的特殊性，其层高不同，楼层载荷不同，作用不同，主要荷载质量集中支点不同，需要设计人员应对其不断地研究和设计优化。现阶段，行业人员没有完全具备设备支撑体系框架结构的理念，技术的应用还不够，与民建结构体系混淆不清。因此，需要设计人员具备工业结构设计实践和理念，依据项目工艺条件和化工设备支撑体系的自身特点，合理進行支撑体系方案的优化设计，即特重设备的支撑，采用两种结构体系的组合形式，完善设计流程，熟悉项目环境和结构特点，保证结构构件合理受力，传力路径明确，从而实现工业设备支撑结构的健康发展，优化支撑方案体系，节约材料，最大化地提高工业行业的经济效益。

【参考文献】

【1】SH 3147—2014 石油化工构筑物抗震设计规范[S].

【2】韩冬冰，王文华，赵旗.化工开发与工程设计概论[M].北京：中国石化出版社，2010.

【3】余俊.现代设计方法及应用[M].北京：中国标准出版社，2002.

【4】GB 50191—2012 构筑物抗震设计规范[S].

【5】GB 50011—2010 建筑抗震设计规范[S].

【6】GB 50017—2017 钢结构设计标准[S].