LNG领域中ORV支撑结构分析设计

周小歆

中海油石化工程有限公司 济南 250010

在LNG领域中，ORV(开架式气化器)利用海水温度使液态LNG气化，因其运行成本低、环保、安全等优点，是一种常用的气化器类型，也是LNG制造中的重要设备之一。ORV需要支撑在混凝土基础上，因此，需要结构专业针对ORV的特点进行支撑结构的设计。

ORV设备一般由特定厂商设计，其内部管线复杂，预埋件预留孔多，平台楼梯的设计较复杂；另外，对ORV支撑结构进行建模计算、设计分析、绘制设计图等参考依据也少。本文以某LNG项目中的ORV支撑结构为例进行分析探讨，希望对设计人员有一定参考意义。

1 ORV支撑结构的设计输入条件

结构专业进行ORV支撑结构设计的依据一般是厂商条件和管道专业条件。本文以某厂商的条件图为例进行分析设计，条件图见图1～图6、荷载见表1。

图1 条件图(平面图)

图2 条件图(立面图)

图3 条件图(侧视图)

图4 条件图(A-A)

图5 条件图(B-B)

图6 条件图(C-C)

表1 单根预埋螺栓位置点受力表

2 结构分析

2.1 从条件图里提取结构分析计算所需的基本构件

结构分析常见的构件有板、梁、柱和墙，不同类型构件受力特点不同，从而简化的计算模型也不同。从厂家条件图里可提取的构件信息见表2。

表2 构件信息汇总表

2.2 确定总体结构类型

(1)方案一：框架剪力墙结构

根据表1提取的构件信息，直观上很容易将此结构判断为框架剪力墙结构，总高度8.486m，按照梁的布置确定分层情况，整体计算中可忽略楼梯影响。

根据上述假定，建立模型进行试算，计算模型见图7，经试算后计算结果见图8。

图7 方案一计算模型

图8 超筋超限信息

由图8可以看出，超限的均为剪力墙，因为把200mm厚的墙作为抗震剪力墙，由于平面内刚度比柱的刚度大很多，承担很大部分的地震剪力，在水平地震剪力作用下单片剪力墙底部承担的水平剪力>结构底部总剪力的30%,框架部分和剪力墙部分受力不合理[1]。

此外，此结构的两面墙体并非全高设置，抗震性能非常不好。如果继续采用框架抗震墙结构进行计算分析，必须对框架部分和墙体部分的尺寸进行修改，与厂商推荐尺寸差别较大，对内部管线和构件布置影响较大。

鉴于总高度比较矮，抗震墙分布并非普通结构中的全高分布，框架部分纵向无约束，抗震墙作为整个结构的纵向联系构件，只需考虑在纵向分担的地震力即可。从构造上可以将框架部分增大配筋系数，抗震墙的配筋适当减少，保证地震工况下框架部分有足够的刚度抵抗水平剪力。

(2)方案二：框架结构

根据方案一存在的问题，对墙体进行分析：首先墙体厚度较小，地震工况下受力大，不满足截面要求；其次，墙体分布不均匀，其中两侧墙体不是全高设置，且有一面墙体非常矮，高度小于1.2m，另一面墙体开洞较多，均为抗震不利条件；第三，墙体从受力角度来讲，仅起到维护功能，不承担管线荷载和操作荷载。综上因素，有充分理由可忽略四面墙体的作用，仅考虑柱和梁的刚度，将此结构简化为框架结构。

根据上述分析结论，建立方案二的模型并计算分析，计算模型见图9、计算指标汇总见图10。

图9 方案二计算模型

图10 方案二计算指标汇总

从图10中看出，计算指标均符合规范要求，因此，对ORV支撑结构简化为框架结构进行计算分析是合理的。

同时要注意，简化为框架结构计算时，每榀框架的横向均为梁柱刚接框架，但是纵向没有形成梁柱框架，受力更接近于平面二维结构，鉴于本项目计算后X、Y向位移指标都符合规范要求，可不再考虑装置内部构件刚度的影响。实际上，在结构顶部，有吊挂LNG管道的钢梁，这样整个结构实际是双向梁柱抗侧力的，此钢梁的作用会使整个结构实际纵向位移小于计算值，对工程设计是有利的。

方案二的假定前提是混凝土墙不参与整个结构的受力分析，设计中需要采取措施，减弱混凝土墙刚度对框架刚度的影响，节点做法见图11，同时对框架结构的刚度进行折减，折减系数可取0.8。

图11 柱墙节点

方案一和方案二各有优缺点，设计中可根据具体情况选择其一计算，也可以两者包络设计，保证安全可靠。

3 结构设计

3.1 支撑结构等级界定

ORV气化器是LNG接收站的重要设备之一，其支撑结构的安全等级为一级，重要性系数为1.1，抗震等级要提高一级。

3.2 框架柱的设计

ORV支撑结构的框架柱尺寸较大，纵筋间距大，要保证箍筋肢距满足规范要求：抗震一级不宜大于200mm，二、三级不宜大于250mm。考虑到此结构层分布不规则，管道荷载较大，框架纵向刚度弱，柱的箍筋应全高加密，箍筋构造要满足规范GB50011[2]中表6.3.7-2要求。

3.3 支撑海水管结构层的设计

整个ORV支撑结构根据梁的布置可分成多层考虑，最重要的结构层是支撑较大管道荷载的结构层，支撑海水管荷载的位置位于装置外部[3]，需要做悬挑梁作为支撑，悬挑梁本身就属于静定结构，没有多余的赘余度，对此部分的设计必须引起重视。本工程针对管道支撑条件，对管道支撑处设置为悬挑梁上起柱形式，对悬挑梁加大尺寸，箍筋加密加箍，箍筋间距≤100mm，详细设计见图12。

图12 支撑管道层结构图

3.4 顶部结构层的设计

顶部框架梁顶通过螺栓固定H型钢梁，此钢梁用于固定悬吊装置(悬挂LNG管线)，横梁承受的荷载包括设备荷载和流体荷载，每个螺栓受力点承受的设计荷载约15t，中间横梁螺栓受力点最多，共有8个。因此顶部框架梁尺寸一般较大，考虑到框架梁的受荷情况，箍筋应全长加密。螺栓定位要准确，施工前设计图应与厂商安装图核对无误后再预埋施工。

3.5 楼梯设计

楼梯部分要根据厂商要求的使用功能进行详细设计。楼梯位于装置外侧，大部分需要悬挑梁或悬挑板满足刚度要求，且这部分要考虑舒适方便的要求。

(1)建筑要求

根据规范GB50016中6.4.5条要求，室外疏散楼梯倾斜角度不应大于45°，栏杆扶手的高度不应小于1.1m，楼梯净宽不应小于0.9m。根据规范GB50352[4]中6.8条要求，楼梯净宽应为两侧扶手中心线的距离或扶手中心线与一侧建筑外表面的距离。楼梯平台净高不应小于2.0m，梯段处净高不应小于2.2m。踏步宽度按250mm设计，大小可做稍微调整。

(2)结构要求

梯梁宜两端支撑，当不满足两端支撑时，梯梁优先从框架柱上悬挑；当为满足楼梯踏步尺寸和倾斜角度而不能直接从框架柱上悬挑时，应在梯梁支点处设暗柱(梯柱)，不得直接从混凝土墙处或框架梁处悬挑，防止墙、梁平面外被破坏。楼梯平台可悬挑或多边支撑，满足净空要求。

楼梯宜采用板式楼梯，楼梯形式可参考图集16G101-2和15G307。

3.6 基础设计

LNG被ORV气化器中的高温海水气化，被吸走热量的海水要从地面排到海水渠[5]，整个装置内室内地面标高到设计水位线常年受海水冲刷。在此种环境下，一般构造的地面达不到设计使用年限，需要结构直接在地面就开始做基础。通常做法是整个装置下做筏板基础，基础顶标高即地面标高，并用细石混凝土或水泥砂浆找坡，坡度一般0.3%，方便海水流出。根据地勘报告土质情况确定筏板是做天然地基还是桩基处理。关于基础的计算与其他结构相同，本文不再赘述。

3.7 预埋件预留洞

ORV气化器支撑结构的预埋件预留洞较多，结构专业应根据条件进行预留预埋，预埋件要注明标高(注意二次灌浆层厚度)和定位，预埋件中心与基础应满足4d(螺栓直径)和150mm的较大值，不满足时应跟厂商沟通更改尺寸，避免与其他管道或构件碰撞。

4 结语

本文对LNG项目中的ORV支撑结构的分析设计进行论述，确定了结构类型和计算模型，并介绍了该结构设计中的框架柱、结构层、楼梯、预埋件预留洞的规范要求和注意事项，同时附上其实际项目的做法供参考，补充完善了该特殊结构的设计方法和规定。该项目施工后运行良好，其对ORV支撑结构的设计研究方法和规定为后续设计人员提供了参考。