石油化工钢结构厂房抗震设计

刘祖源

（天津渤化工程有限公司，天津 300193）

目前，钢结构厂房在石油化工行业得到了广泛的应用。 与传统的混凝土结构厂房相比较，钢结构厂房施工速度快、工期短，可以快速投产获利，从而达到投资者及早回收成本的目的。 同时，石油化工厂房因其特殊性，更应考虑控制其避免被地震破坏，并保证其震后正常的生产功能。 因此石油化工厂房要尤其注意其抗震性设计[1，2]。

1 抗震设计应注意的重要方面

1.1 石油化工钢结构厂房设计图纸

对于任何类型的项目，图纸都是项目建设的基础。 钢结构化工厂房设计时，应召集施工单位专业技术人员审图，检查施工图是否存在“错误、遗漏、磕碰、缺陷”。 施工前应进行有效排查，避免工程质量因图纸问题恶化，影响施工进度。

1.2 对石油化工钢结构厂房支撑系统的设计原则

以工厂结构形状为基础，保证石油化工钢结构厂房空间运行，保证整体结构的稳定性。 车间起重机的安装、车间跨度高度、温区长度等都应有稳定的支撑系统。 厂房的每个温区都必须配备稳定的柱间支撑系统，并且必须与屋顶的水平支撑布置相协调。

1.3 石油化工钢结构厂房抗震设计要点

首先，在厂房建设前应充分考虑结构的抗震性能，但基于重力、刚度等条件，在总体布局上也要尽量保证安全性。 当受外力作用时，在刚性较弱的地方，会产生积累，并成为安全隐患。 同时，在结构上应利用更坚固的框架来减少结构的变形。 其次，在施工过程中，要充分考虑失稳问题，钢结构的强度要能够充分满足施工需要，因此需要对支撑系统进行更多的改进，以提高整体稳定性，并发挥其抗震性能[3]。

2 石油化工钢结构厂房抗震设计方法

2.1 石油化工厂房的结构平面布置

石油化工厂房一般结构比较复杂和庞大，其设计必须遵循一定的设计规则，许多化工厂房工艺设备重量不均，难以分散作用在化工厂房结构上的力，如果结构不合理，受力将出现不均匀。 一旦发生地震，就会造成更大的破坏。 在规划过程中，化工厂房最好设计成长方形，在三维设计中，应做好化工厂房结构的几何对称分布，在一些建筑物内部的结构单元中，应对称分布一些抗侧力构件[4]。 如果工艺设备本身比较笨重和密集，则应将其放置在刚度中心附近，确保化工厂房中的受力相对均匀。 在结构刚度差异较大的化工厂房中，必须安装一些抗震接头。 在进行重型吊车钢柱的选型时，应充分考虑钢材消耗的经济指标和固定材料的方便性。 通过实腹柱和格构柱两种方法， 设计人员可以充分比较各项技术经济指标，根据实际情况综合评价，选择最佳方案，既保证了工程的合理性，还可以通过设计提高施工的便利性和经济性[5]。

2.2 地基基础

石油化工钢结构厂房在选择地基时，应选择同一结构单元的土层，避免同时选择性质差异较大的土层作为地基。 很多工厂为了在选择地基时省钱， 往往将天然地基与人工地基结合起来使用，这样容易出现问题，即便出现较小的外力，也可能会损坏地基，建筑物可能会倒塌，造成人身伤害。 为了使基础受力均匀，应加深基础或增加桩长。 在设计中应采取一些预防措施，以加强基础的整体性[6]。 在某些地区，地基的支护结构可能会遇到软土地基，设计时必须充分考虑这些影响因素，以免损坏建筑结构，防止地震期间液化土层下沉，也就是加固地基，目前很多地基工程采用振动的方法加固液化土层。 加固完成后，土层标准测试应该使用现行标准进行测试。

2.3 石油化工钢结构厂房有限元空间模型的建立

化工厂房多属于不规则建筑，除结构自重和多台工艺设备引起的静或动荷载外，还要考虑地震荷载。 某化工装置主厂房长180m，11 列，宽126m， 分为7 跨。 该工艺的核心设备布置在4～5跨中间的高层部分，高度为50m，周边车间高低不平，主车间有双层吊车，难度大。 有限元模型应在3D 空间建立， 考虑工厂和所用设备的实际结构、分析计算的要求、结构本身的复杂性和设备载荷。主楼的梁和钢柱根据主楼的计算方法用实心腹杆代替节点，各构件位置完全根据实际结构布置。

2.4 结构体系

2.4.1 支撑体系

支撑系统可以在确保化工厂房结构稳定性方面发挥重要作用。 在地震中，部分支撑斜杆发生扭曲，会导致结构扭曲变形，影响整个化工厂房结构的安全。 目前，关于柱间支撑的研究很多，应用最广泛的是在化工厂房单元中间安装上下柱支撑，并将地震力直接传递到其他结构。 如果存在无法直接传递的情况，则需要采取一些加强措施。

2.4.2 围护结构

与外壳结构的连接不足，通常会造成严重损坏。 在未来的设计中，充分考虑将柱子和墙体结合起来，并注意填充围护结构的高宽比。

2.5 变形控制设计

基于计算的假定值，普通钢结构框架的化工厂房设计通常假设屋顶刚度趋于无穷大，挠度太大而无法满足要求。 标准规范对起重机轨道顶部位置的水平位移有非常严格的规定，如果顶梁刚度太小，钢柱就会变成悬臂柱，位移达不到要求。在传统屋面应变控制设计过程中，主要是使用柱子和屋架相铰接形成桁架屋面梁，这是由于屋面板的尺寸大，荷载相对较大，导致容易出现漏水的问题，桁架屋梁的刚度越大，结构安全性越高。随着技术的不断发展，目前一般化工厂房的建设主要采用实腹式梁和轻型的彩钢板屋面。 在这种情况下，屋梁变形问题不严重，不存在漏水问题，是比较理想的。 因此，一般石油化工钢结构厂房屋顶变形结构的设计必须保证科学合理的设计，以提高结构的设计质量。 对于大吨位起重机和轻型屋面钢结构厂房，要注意解决屋面钢梁挠度问题，避免造成大量浪费，因此，对于钢梁挠度的设计指标可以适当放宽。

2.6 抗震性能化设计的概念和步骤

抗震性能化设计，是一种建立在概念设计基础上的抗震设计新理念，其抗震设防目标不应低于规范的最基本的抗震性能目标，它是根据工程的具体情况，立足于承载力和变形能力的综合考虑，确定合理的抗震设防目标，采取恰当的计算和抗震措施， 实现抗震性能目标的要求。它根据不同地震动作用（小震、中震及大震）、不同构件（关键构件、普通竖向构件、耗能构件）、以及同一构件的不同内力（轴力、弯矩、剪力等） 提出不同的性能目标和设计计算方法，从而实现结构安全和经济的协调统一。 通过制定不同的性能水准进行设计，可以保证结构在地震下的安全性能和使用性能。 同时，在抗震性能化设计过程中，依然要严格遵循抗震概念设计的基本原则，诸如强柱弱梁、强剪弱弯、强连接弱构件等。

在多遇地震下， 根据建筑抗震设防类别、场地类别、结构体系类别、设防烈度等确定抗震设计参数，通过反应谱法进行抗震计算分析，结合以抗震等级为核心的内力调整、抗震构造措施等进行截面设计，其基本原则是“高延性，低弹性承载力”、“低延性，高弹性承载力”。

化工厂房由于其特殊性，有时需要控制其在大震下建筑和设施的破坏，保持地震时正常的生产生活功能，减少地震对社会经济生活带来的影响，此时有必要采用高于基本抗震设防目标的性能化设计方法； 有时地震作用不是主要控制作用，此时可以相应降低抗震构造以节省造价。 为此笔者按照《钢结构设计标准》（以下简称《钢标》）总结了钢结构抗震性能化设计步骤与方法流程图（见图1）。

图1

总之， 由于设计安装时间短、 用钢量低、工业化程度高， 钢结构已成为现代建筑业不可缺少的组成部分，广泛应用于仓库和厂房。 在设计石油化工钢结构厂房，尤其是大型化工厂房时，不能想当然地设计，而是要结合实际情况，综合考虑地理环境等因素。 在充分了解石油化工钢结构厂房的结构设计和实际工业需求后， 找到最优方案，进行设计。 通过优先考虑工程质量，可以在现代建筑设计中传达节能、环保、美观的理念。