型钢混凝土—钢结构在石化工程中的应用

崔砚军

（中海油石化工程有限公司，山东济南 250101）

0 引言

实践和理论研究证明，型钢—混凝土组合结构延性好、稳定性高、承载力强，特别是在重复荷载作用和高频低周期下具有很好的性能。采用实腹型钢的型钢—混凝土组合结构构件的延性性能、强度、刚度、稳定性能，比空腹型钢的型钢—混凝土组合结构构件更好。型钢混凝土框架—钢支撑结构在工程实践中已有应用，在技术上是成熟、安全、可靠的，在其他项目中也有应用，但实施效果并不显著。该结构形式在气化、尿素等框架中属首例，是我们借鉴其化工项目的经验发展、改进、再创新的结果，且在高烈度地震区、软土地区有着较大优势。

1 项目概况

本项目为某化工有限公司退城进园、技术改造项目，拟建退城进园项目场地东西长约1176m，南北宽约460m，总用地面积6.6666hm2（66666m2）。拟建工程场地交通较便利。具体位置在泊家庄以东约1km 处，属于华丰镇永安寨及东北庄土地。场地西侧为规划华丰路（已通），场地东侧为规划灵山大道，场地南侧为规划堡头大街，场地北侧为规划北泉河街，交通较便利。

尿素设计界区范围为尿素装置界区外1m；整个尿素装置工程设计范围包括但不限于CO2压缩及净化、尿素主框架（含水解解析）、尿素造粒塔（预留大颗粒）、尿素包装楼、尿素成品库、尿素栈桥、尿素装置配套的公辅工程等；设计能确保从原料液氨及二氧化碳进入界区能生产出合格的尿素产品。除尿素装置、空分装置以外，全厂界区以内的生产设施。包括总图运输、厂区内的储运、给排水、供热、供电、管廊及地下管网、化验、火炬、消防设施、工厂空气、仪表空气和氮气系统、厂区电信系统、厂区道路照明等。

本项目于2015 年10 月开始基础工程设计，2016 年6 月基础设计审查并开展详细工程设计，同年开工建设，2017 年9 月完成详细工程结构设计，2019 年年底建成投产。

尿素装置为整个工程的核心装置，装置规模：1700t/d 合成氨，包含日产氢气48 万m3/d（预留）；2700t/d 尿素；年操作时间：7200h/年。

尿素主框架联合布置，通过管廊、走道、平台连接，尿素主框架低压区占地30m×20m，共10 层，高23m，各类泵布置在框架地面，CO2汽提塔布置在10.1m，低压甲铵冷凝器循环水冷却器布置在8.7m，中间冷凝器布置在23m；尿素主框架高压区占地22m×20m，共12 层，高79.6m，尿素合成塔布置在25.5m，低压吸收塔布置在76m，合成塔用吊车布置在88m，框架最高处为高压洗涤器吊车，约79.6m。

2 自然条件

平均温度为13.9℃，最高气温为41.3℃，最低气温为-19℃，年平均降水量为645.9mm，混凝土结构的环境类别为①一般室内环境：一类；①地下结构二b 类；③室外露天环境：二b 类；④结构设计基准期为50 年[2]。

结构设计基准期为50 年，结构使用年限应按GB 50068—2001 第1.0.5 条的规定采用，一般建构筑物结构设计使用年限为50 年（规范另有规定者除外）、环境相对湿度为63%。

土层由上到下分布如下。

1 层粉质粘土，大量分布，厚度薄，力学特性简单，可用作一般建构筑物基础持力层。

2 层碎石土，大量分布，厚度薄，力学特性简单，可用作一般建构筑物基础持力层。

3 层全风化泥岩，主要分布在场地东部，厚度较小，不存在地下水，力学特性简单，可用作一般建构筑物基础持力层。

4 层强风化泥岩，主要分布在场地东部，厚度不均，风化不均匀，不存在地下水，力学特性简单，可用作一般建构筑物基础持力层。

4-1 层强风化角砾岩，分布普遍，厚度不均，该层无地下水，力学性质较好。

5 层中风化泥岩，分布普遍，厚度较大，力学性质良好。

5-1 层中风化角砾岩，分布普遍，厚度较大，力学性质良好。

特殊性土评价如下。

场地地层存在的特殊性性土主要为3 层全风化泥岩、4 层强风化泥岩、4-1 层强风化角砾岩。

3 层全风化泥岩，风化呈土状，力学性质一般。

4 层强风化角砾岩，风化呈碎块状，力学性质一般。

4-1 层强风化角砾岩，风化呈碎块状，力学性质较好，见表1。

表1 岩土特性 γ、C、φ

3 结构形式

运用型钢混凝土钢框架组合结构，在标高40m 以下采用部分型钢混凝土组合框架结构（部分框架柱、框架梁、较重设备支承梁为型钢混凝土构件，垂直支撑采用钢构件，其余构件均为钢筋混凝土），在框架局部或楼、电梯间设置钢柱间支撑，标高40m以上为钢框架—支撑结构。主框架基础采用独立基础、局部采用筏板基础，基底标高-5.5m，筏板厚度为2.5m，部分框架柱采用柱下独立桩基承台。

尿素主框架设置二个楼梯间，其中一个与电梯间相连，均采用钢结构。整个框架为开敞结构，仅电梯井采用压型钢板维护。40m 及以下楼板均为钢筋混凝土，40m 以上楼板除78m 为压型钢板底模与钢筋混凝土组合楼板外均为镀锌钢格板（G405/30/100G），局部为花纹钢板。尿素主框架每层标高分别为8m、16m、20.5m、23.5m、25.5m、33m、40.5m、57.5m、63m、67.5m、71.6m、79.6m（吊车梁底标高78.5m），框架纵横向跨度均为8m（连接跨为8m）。

4 框架上的设备

框架上大型设备较多，有120 台左右，单体较重，核心设备为尿素合成塔操作重达960t，100t 以上设备近20 台，设备总重约5kt。其中尿素合成塔高度约40m。尿素合成塔下端刚接于标高25.5m 的楼面，尿素合成塔下端通过衡力弹簧吊在标高40.5m 的楼面梁下，二者上端通过刚性弯管连接。

尿素装置最为关键的设备，形迹以断裂为主。场地处于岨莱山与蒙山之间的丘陵地带，北侧、东侧为柴汶河盆地，起伏较平缓，西侧、南侧为低山，南侧凤仙山，海拔608.00m，为宁阳县最高峰，西侧彩山，主峰海拔360.50m。本区属华北地台背斜鲁西断区，区域内主要断裂有西部的峄山断裂、北部的汶口断裂、东北部的莲花山断裂，南部为徂徕山—蒙山背斜。其中，峄山断裂北起肥城、南至微山湖，总体走向为350°，走向不稳定。在NW330～NE25 之间属张性断裂，在燕山期及新生代有过活动。汶口断裂呈弧形展布，向北凸起，断面向凹陷一侧倾斜，倾角在60°～70°之间，断裂具有强烈的压扭性。

本项目分析和计算了各种支点条件（57.5m 无支点、有刚性支点、有弹性支点）下，针对不同荷载（100%自重、2 个水平方向的地震荷载作用、2 个水平方向的风荷载作用、总体热膨胀和局部热膨胀等）变化情况作用于框架上的荷载。

5 结构简化计算模型

型钢混凝土框架—钢支撑结构在工程实践中已有应用，在技术上是成熟、安全、可靠的，在其他项目中也有应用，但实施效果并不显著。该结构形式在气化磨煤框架中属首例，是我们借鉴岳阳等煤气化项目的经验发展、改进、再创新的结果，在高烈度地震区、软土地区有着较大优势，如图1~图4 所示。

图1 结构计算模型

图2 内力计算结果

图3 配筋计算结果

图4 设备布置

6 结构设计及优化

尿素主框架大多采用型钢钢筋混凝土结构形式，本工程核心设备尿素合成塔与已有工程相比，荷重是原来的一倍有余，除工艺布置的差异外，主要在于自然条件的差异。

（1）确定合理的结构体系，尤其重视垂直支撑系统、水平支撑系统的布置，使上部荷载更加合理地传递；垂直支撑构件采用箱型截面，既有效利用截面特性，又满足防火防腐及构造要求[3]。

（2）对平面传力体系进行优化，以减轻结构自重为目标，楼面梁、设备支撑梁采用交叉梁系布置，既使框架梁受力均衡，又能减少梁截面尺寸，减少板厚（确定为120m 厚），保证在满足平面刚度的基础上尽可能减少结构自重。固化主要楼面梁布置满足了边设计边施工的建设模式，提高了设计效率，降低了设计人员负荷[4]。

（3）反复比较确定局部采用型钢混凝土的构件。如果钢筋混凝土结构的构件全部采用型钢混凝土，结构体系是最理想的，但会增加钢的使用量，使经济效益大打折扣。好钢用在刀刃上，既减少了截面尺寸，又保证了结构刚度的平缓变化和整个框架的美观。

（4）结构规则性调整。将尿素主框架低压区和高压区分开设缝布置，以满足高宽比的限制，同时满足新规范对单跨框架的限制。结构整体抗震性能得到加强。

（5）设备支承优化。在标高25.5m 增设支点，通过改变地脚螺栓的埋设方式，预埋管改为直埋，改进定位模板的方式，很好解决了设备基础的施工安装难题。这样极大减小了设备支承梁的高度（由2.7m 减至2.0m），满足了工艺布置对净空的要求。

（6）基础方案优化。框架基础采用独立基础、局部采用筏板基础，尿素主框架低压区和高压区筏板和独立基础各自独立，解决两个框架基础荷载差异较大、沉降不均衡、荷载作用点与筏板重心偏心大的问题；同时使尿素主框架低压区和高压区基础分开布置，使机器震动不影响框架结构。

（7）筏板优化。减薄基础筏板的厚度采用柱墩满足抗冲切的要求，既减小了混凝土体积，又达到较经济的含钢量，同时也能满足埋入式柱脚埋深的要求。

（8）转换层调整。转换层上移至型钢混凝土层以上，避免型钢梁柱与钢筋的交叉施工困难，保证结构刚度的平缓过渡，同时减少了防火涂料的工程量。

（9）楼电梯间的合理布置。依附于主体结构的独立楼电梯间的布置不仅满足工艺布置的要求，也保证了疏散通道的安全，有利于保持结构的整体受力均匀。

（10）注重细节的处理。细节往往决定全局的成败，设备吊装方案、设备支座形式、型钢混凝土节点连接方式、构件中钢筋根数、施工程序等均是我们关注的重点，该项目结构施工得以顺利开展得益于此。

7 实施效果及经济性指标

该框架实施效果非常好，最大柱截面仅1.5m，尿素合成塔支撑梁和框架梁的截面高度仅2m，满足了其下部其他设备的空间要求，且远低于同类工程的截面尺寸，截面面积减少约20%，结构自重由占比55%降至45%，扩大了净层高，空间有效利用率提高，有利于设备管道布置，扩大操作空间，尤其是桩基工程量显著减少。

型钢混凝土框架—钢支撑结构在工程实践中已有应用，在技术上是成熟、安全、可靠的，其他项目中也有应用，但实施效果并不显著。该结构形式在气化磨煤框架中属首例，是当前借鉴岳阳等煤气化项目的经验发展、改进、再创新的结果，在高烈度地震区、软土地区有着较大优势，如表2 所示。

表2 各类型结构形式构件用量比较

8 推广应用前景

今后，尿素装置还会不断涌现，这也是当前的优势设计出路，型钢混凝土框架结构相较于高烈度地震区、软土地区的应用有着较大优势，结构自重减轻，显著减轻地震作用，有利于减少软土地区基础沉降量；单柱轴向力较低，可减少基础筏板厚度；结构断面尺寸较小，截面面积减少约30%，扩大了净层高，空间有效利用率提高，扩大操作空间，有利于设备管道布置；钢筋含量、模板量、混凝土浇筑量减少，钢筋绑扎、模板支设、减少了混凝土浇筑时间，进度加快，有利于缩短工期，提高施工质量。利用型钢自身承载能力大的优点，可以节省施工时所用的支撑，节约材料；减少预埋件数量；尤为显著的是极大减少了桩的工程量，缩短施工周期，有着广泛的应用前景。

在工程实践中我们还需不断总结、改进、提高、创新，积累经验，为同行在结构工程设计领域树立良好的形象，增强竞争力，创品牌效应。