海外工程結構設計中的若干問題

嚴 峰

(中石化上海工程有限公司，上海 200120)

海外工程結構設計中的若干問題

嚴 峰

(中石化上海工程有限公司，上海 200120)

基于海外總承包項目實踐經驗，對國內外工程標準體系、地基基礎、抗震設計、節點設計的設計理念差異進行了對比分析，探討了海外工程設計中的注意事項，為類似工程的施工提供參考依據。

海外工程，工程標準，地基基礎，抗震，鋼結構節點

0 引言

隨著中國經濟的快速發展和經濟轉型的深入進展，中國公司越來越多的走出國門參與海外的石油化工工程建設。海外石油化工建設項目的設計工作逐漸由中外合作過渡到國內公司獨立擔當。海外工程設計與國內工程相比，考慮問題的角度具有非常巨大的差異。

本文主要結合筆者負責的沙特總承包項目的結構設計情況，從不同的視角做一些總結，以期拋磚引玉。

1 工程建設標準體系

1.1 美國工程標準

海外項目絕大多數的業主認可美國規范，美國結構設計規范體系除了國內比較熟知的International Building Code,IBC；Minimum Design Loads for Buildings and other Structures，ASCE 7；Building Code Requirements for Structural Concrete,ACI 318以及Specification for Structural Steel Buildings AISC 360以外，下面幾套標準也是海外工程設計和施工必須執行和掌握的:

1)美國材料與試驗協會編制的有關混凝土、鋼結構等材料性能標準以及巖土分類和試驗標準。

2)美國焊接協會編寫的鋼結構焊接的設計、施工檢驗的標準 Structural Welding Code-Steel AWS D1.1。

3)流程工程實踐學會編寫的PIP系列準則。其中，標準圖PIP STF05501 Fixed Ladders and Cages和PIP STF05520 Details for Pipe Railing for Walking and Working Surfaces是海外工業裝置中欄桿和直爬梯的通行標準。

4)美國土木工程師協會針對化工裝置的敞開結構的風荷載設計以及抗爆結構設計做出規定， Wind Loads for Petrochemical and Other Industrial Facilities和 Design of Blast Resistant Buildings in Petrochemical Facilities。

1.2 沙特標準

沙特阿拉伯地區工程標準可以分為三個層面，政府層面工程建設規定主要是皇家委員會工程指南和環境準則；內政部工業安全高級委員會制定的工業企業安全和防火指導意見等。企業層面的工程建設標準通常是項目實施主要依據，具有很高的權威性，以沙特基礎工業公司為例(Saudi Basic Industries Corporation，簡稱SABIC，世界領先的石化公司之一)，其主要為SES標準(SABIC Engineering Standards)。底層標準是項目的統一規定和執行計劃等規定。SABIC企業工程標準主要以美國規范為模板編制，覆蓋設計、施工、采購和驗收等工程建設的每個層面，其中僅土建和結構專業的標準和標準圖合計達一百多項，可見其規定細致全面。SES企業標準較少引用美國標準規范，對于主要的內容均做了直接摘錄列項，并附上大量的工程標準圖和構造做法規定，能夠形成較為完整的一套獨立標準體系。

1.3 標準執行

長期以來，我國工程建設中土建專業均以規范為主導，一切以符合強制性規范和強制性條文為核心的設計理念，對企業標準、項目統一規定往往研究不透徹重視不足。在海外項目特別是類似沙特SABIC項目中，對這種慣性思維提出了嚴峻的挑戰。沙特的工程建設標準主要由企業標準為主導，我們的設計理念中不能把SABIC的工程標準等同于執行美國工程標準。整個項目的設計，采購和施工都需要優先執行SABIC企業標準，僅當沒有具體規定時或者其明確參見相關規范時才參照執行其他美國的規范和標準。

執行標準的嚴肅性差異也是我們中方企業在海外項目面臨的普遍問題。對規范特別是標準圖等的尊重和幾乎機械的執行讓我們的工程設計人員和施工管理人員不適應。我國通常情況標準圖不屬于強制性規范范疇，主要是一種推薦性質的標準。在沙特企業標準中標準圖在數量上占有不少比重，在執行力上等同于企業的強制標準。企業的標準圖較多的涉及施工方面的各種構造和做法，這些做法往往和國內的習慣做法有較多差異，因此需要我們的設計和施工管理人員熟悉這些標準，嚴格執行標準。一旦不按圖施工盲目追趕進度往往適得其反，耗費大量人力物力返工，欲速而不達。

2 地基基礎設計

現行我國規范對地基承載力驗算時采用正常使用極限狀態下荷載效應的標準組合，計算地基變形時采用正常使用極限狀態下準永久組合。目前世界各國的上部結構設計規范較多采用極限狀態的設計方法，但由于巖土工程的不確定因素較多，變異性過大，因此很多國家的規范延續采用傳統的容許應力設計方法。我國規范把地基承載力和地基沉降變形驗算分兩步進行，美國包括沙特地區通常將地基承載力和沉降變形控制合二為一歸并為地基容許承載力。地基容許承載力按以下兩者的小值取用[1，2]：

1)沉降控制的地基容許承載力，對獨立基礎或者條形基礎控制總沉降25 mm，對筏板基礎控制總沉降50 mm。

2)強度控制的地基容許承載力，通?？紤]2倍的安全系數。

我國規范在進行地基承載力基礎寬度修正時，隨著寬度的增加，地基承載力相應提高，但在國外標準中，由于綜合考慮了沉降限值，主要表現為隨著基礎寬度的增加地基容許承載力不是增加反而是逐漸下降的。因此在使用國外的地勘報告時，應注意其給出的地基容許承載力對應的寬度信息，不宜簡單拓展推算。與國內地基承載力做深度修正不同，國外的地質勘探報告通常給出是容許承載力凈值即Net Allowable Bearing Pressure，凈值表示不包括基礎底面以上的土體重量，因此無需再進行任何埋深修正，也無需考慮覆土的重量。

我國地基基礎規范規定當偏心荷載作用時，基礎邊緣的地基承載力特征值允許提高20%。在IBC-2006表1804.2注解中明確，只有在風荷載或者地震效應瞬荷載作用時才允許提高承載力33%，其他情況下不能提高地基容許承載力[3]。因此對應于長期作用的偏心荷載，國外規范較我國標準更為嚴格。

3 抗震設計

美國規范主要基于彈塑性反應譜的R—μ關系理論，考慮不同的結構類型的設計延性，即延性系數μ，對彈性計算地震作用乘以相應的地震影響系數R進行折減，得到設計荷載[4-7]。美國規范對同一的結構類型設定了不同的延性等級，Ordinary，Intermediate，Special，分別對應低、中和高延性等級。隨著延性依次遞增，相應的延性系數μ提高，地震作用折減系數也隨之增加，設計地震作用依次降低。相比之下我國的現行抗震規范對地震作用降低系數Rμ的取值即地震荷載效應是保持不變，主要是隨著抗震設防烈度的變化而調整特定抗震措施嚴格程度。

我國抗震規范規定，6度及以上抗震設防烈度均需執行抗震設防[8]。由于我國大部分地區均處于地震區，因此幾乎全部的建筑物均需滿足抗震的構造措施。根據美國規范，對應延性等級Ordinary的是不需要考慮抗震構造，僅需按普通規定執行即可。ACI 318的抗震篇“Special Provisions for Seismic Design”和AISC 341“Seismic Provisions for Structural Steel Buildings”均針對中等及以上延性等級所作的特別規定。

沙特地區地震烈度較低，相當于國內6度抗震設防，而風荷載比較大，折算為國內的基本風壓可以達到1 kN/m2左右，按美國規范，即使按低延性框架對應的地震效應依然比較小，大部分結構主要以風荷載為控制工況。據此，在設計中無需考慮抗震特別的構造措施，混凝土框架箍筋無塑性鉸加密區域，箍筋可以采用開口直鉤形式，鋼結構受壓構件細長比可以大幅突破120等。這些我們看似習以為常的構造，往往涉及施工的便捷性和工程設計的經濟性等多方面。國外工程有著鮮明的地域特點，需要我們準確的把握規范的精神，合法合規提高結構設計的精確性，進而為項目控制成本提高效益打下基礎。

4 節點設計

國內常規的鋼結構連接節點主要是兩元法，剛接和鉸接。梁柱剛接連接節點較多采用上下翼緣坡口焊接，腹板高強螺栓的栓焊混合連接形式，或者是帶懸臂段的全螺栓拼接節點。海外工程高空焊接無論是施工進度、安全還是質量控制都面臨比較大的風險，以SABIC標準為例，鋼結構連接通常不允許現場焊接，因此端板式梁柱連接節點在當地應用非常普遍。

國內常規的設計流程是先進行整體結構計算，確定各構件斷面，最后再套用鋼結構節點的通用圖。鋼結構連接節點有比較成熟的做法和節點圖集，無需設計人員逐一驗算選擇。在這個流程中，隱含做了一個假定，即連接節點是能夠達到等強的特別是抗彎等強連接。在石油化工工程中，無論是設備的操作荷載還是樓板的均布荷載均非常大，框架梁柱連接部位特別是剛接節點往往是彎矩和剪力都最大的部位。端板式節點在這種荷載效應下節點螺栓設計非常困難，容易成為后期節點選用和設計的瓶頸。因此在海外項目鋼結構設計中需要打破這種習慣思維，把鋼結構節點問題在設計過程中予以解決，避免把困難留到最后。通過對梁柱連接節點設置彈簧剛度，對梁柱剛接節點適當釋放抗彎剛度。梁柱連接剛度釋放，其核心理念與結構的塑性設計一脈相承，通過降低端部的支座負彎矩，增加跨中正彎矩，既有利于材料強度的充分發揮，又可以進一步簡化節點設計。

5 結語

國內外工程，結構設計的基本原理是相通的相似的，公式也是似曾相識。設計人員往往對國內的規范特別是強制性條文耳熟能詳，容易形成思維定式，實踐表明一些國內的習以為常的理念和手法并不完全適用于海外項目。我們需要改變固有的慣性思維模式，真正融入到國際工程之列。

[1] GB 50007—2002，建筑地基基礎設計規范[S].

[2] Joseph E. Bowles. Foundation Analysis and Design[M].Fifth Edition.

[3] IBC. International Building Code[S].

[4] ASCE.Minimum Design Loads for Buildings and other Structures[S].

[5] ASCE.Building Code Requirements for Structural Concrete[S].

[6] AISC.Specification Structural Steel[S].

[7] AISC.Seismic Provisions for Structural Steel Buildings [S].

[8] GB 50011—2010，建筑抗震設計規范[S].

Research on several issues about design of international turnkey engineering structures

Yan Feng

(SINOPECShanghaiEngineeringCo.,Ltd,Shanghai200120，China)

Based on practical overseas general contracting project experience, the paper compares and analyzes design concept differences of engineering criteria system, foundation base, seismic resistance design and joint design at home and abroad, and explores matters needing attention in overseas engineering design, which has provided some guidance for similar engineering construction.

overseas engineering, engineering criteria, foundation base, seismic resistance, steel structure joint

1009-6825(2015)32-0030-02

2015-08-20

嚴 峰(1972- )，男，高級工程師，一級注冊結構工程師

TU318

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