煤氣化框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案探討

黃　東

中國成達(dá)工程有限公司　成都　610041

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煤氣化框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案探討

黃東*

中國成達(dá)工程有限公司成都610041

針對(duì)煤氣化框架工藝布置復(fù)雜的特點(diǎn)，闡述影響結(jié)構(gòu)方案的因素，著重分析目前國內(nèi)常用煤氣化框架的結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)各種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行探討。

框架布置影響因素優(yōu)劣對(duì)比方案探討方案推薦

煤化工項(xiàng)目中，煤氣化框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既是重點(diǎn)又是難點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初，煤氣化框架結(jié)構(gòu)方案的確定顯得尤為重要。

1　煤氣化框架的布置特點(diǎn)

以某項(xiàng)目煤氣化框架工藝布置為例，具體介紹煤氣化框架的布置特點(diǎn)，此煤氣化框架38m層布置見圖1，正立面見圖2。

圖1　煤氣化 EL138000層平面

此框架具有體量較大、跨度較大、層高較高、設(shè)備較多等特點(diǎn)。

(1)體量較大：此框架下部長(zhǎng) 73m；寬46m，主體長(zhǎng)50m，寬36m，總高89m，共13個(gè)主要層。

(2)跨度較大：除了電梯間和樓梯間的開間柱距為4m外，該框架主體橫向柱距為12m，縱向柱距最小10m、最大16m；且16m跨上正好作用了779t的原煤倉。

(3)層高較高：該框架主體的層高普遍在7～8m之間，局部錯(cuò)層并產(chǎn)生了20m、18m、13m、12m的層高。

圖2　煤氣化框架立面

(4)設(shè)備數(shù)量和類型多而且重：框架內(nèi)設(shè)備臺(tái)數(shù)100余臺(tái)，框架之上有24臺(tái)單重超過100t的設(shè)備，單臺(tái)設(shè)備最大重量達(dá)733t(濕洗塔)，38m層設(shè)備總重達(dá)3300t，89m層(頂層)設(shè)備總重達(dá)900t；同時(shí)，框架局部存在32t的重型吊車(作用于20m樓層底部)，樓面上還有諸如輸送機(jī)、給料機(jī)、給煤機(jī)、泵等振動(dòng)設(shè)備。

2　煤氣化框架結(jié)構(gòu)方案考慮因素

鑒于煤氣化框架工藝、管道布置的復(fù)雜性，在確定結(jié)構(gòu)方案時(shí)，就需要考慮到各方面的影響因素。

(1)合規(guī)性： 這是滿足規(guī)范的需要，所有的結(jié)構(gòu)方案應(yīng)在不超規(guī)范的前提下進(jìn)行，不僅要考慮水平、豎向的各種設(shè)計(jì)參數(shù)、控制指標(biāo)等方面不超規(guī)范相關(guān)條文，而且要考慮整體結(jié)構(gòu)在安全上得有一定的儲(chǔ)備。

(2)安全性： 這是最基本的考慮，應(yīng)考慮到豎向荷載(如設(shè)備、管道、結(jié)構(gòu)自身等重量及操作、檢修等荷載)作用下，構(gòu)件本身不出問題(主要是強(qiáng)度、裂縫、撓度等問題)。同時(shí)要考慮水平荷載(如地震、風(fēng)荷載)作用下，結(jié)構(gòu)體系也不出現(xiàn)問題(周期比、位移比、層剛比、剪重比等問題)。

(3)合理性： 這是技術(shù)基本要求，需要考慮實(shí)現(xiàn)工藝、管道等專業(yè)基本的使用要求(凈空、開孔、檢修、通道等問題)。

(4)施工性： 這涉及到兩方面，一方面是框架本身的施工：這是一個(gè)跨度較大、層高較高、荷載較大的高層工業(yè)廠房，選擇什么樣的結(jié)構(gòu)型式、什么樣的建筑材料以及采用什么樣的施工方式， 將會(huì)對(duì)框架本身施工的難度和效率產(chǎn)生較大的影響。另一方面是大重型設(shè)備吊裝：此框架上吊裝荷載超過100t的設(shè)備有近10臺(tái)，甚至有300t、400t、500t的大型重設(shè)備需要吊至高位樓層上，如何起吊、安裝、就位這些大型重設(shè)備，是以后施工安裝工作的一個(gè)重點(diǎn)、難點(diǎn)，也是需要多方共同考慮的一個(gè)重要問題。土建采用什么的結(jié)構(gòu)方案、連接形式，將會(huì)對(duì)以后這種大重設(shè)備的吊裝產(chǎn)生較大的影響，也會(huì)對(duì)整個(gè)框架的施工進(jìn)度產(chǎn)生較大的影響。

(5)經(jīng)濟(jì)性：在滿足功能、安全、規(guī)范的同時(shí)，減少工程投入、降低工程造價(jià)、縮短施工周期是結(jié)構(gòu)方案要考慮的重要因素，這是一般工程的基本要求，這也是結(jié)構(gòu)工程師職業(yè)操守的一個(gè)基本體現(xiàn)。

3　常用結(jié)構(gòu)方案探討

目前國內(nèi)常用的粉煤氣工藝是在20世紀(jì)90年代從國外引進(jìn)的，引進(jìn)時(shí)煤氣化框架結(jié)構(gòu)形式采用的是下部混凝土框架+上部鋼框架支撐，這種結(jié)構(gòu)形式可能在國外適用，但目前在國內(nèi)，規(guī)范尚未有明確的定義。隨著我國各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的不斷補(bǔ)充、更新和完善，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，計(jì)算軟件的不斷改進(jìn)，逐漸出現(xiàn)了更合理、更科學(xué)的結(jié)構(gòu)形式。同時(shí)，由于各工程項(xiàng)目的工藝布置條件不同，各工程項(xiàng)目投資、進(jìn)度及建設(shè)地點(diǎn)等具體情況也各不相同，因而煤氣化框架的結(jié)構(gòu)形式也不盡相同。根據(jù)目前國內(nèi)煤氣化框架的高度從40m到100m不等的情況，對(duì)目前出現(xiàn)的各種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)劣進(jìn)行對(duì)比見表1。

表1的結(jié)構(gòu)形式主要分為四類，純框架結(jié)構(gòu)、框架抗震墻結(jié)構(gòu)、框架-支撐結(jié)構(gòu)以及下部純框架+上部框架支撐的上下組合結(jié)構(gòu)。

3.1純框架結(jié)構(gòu)

純框架結(jié)構(gòu)具有平面布置靈活、內(nèi)部空間利用率高的優(yōu)點(diǎn)，也有利于工藝布置，但純框架結(jié)構(gòu)體系只有一道抗震防線，抗震性能較差，對(duì)氣化框架這種高大且重要的工業(yè)廠房來說，不宜采用。純框架結(jié)構(gòu)體系是利用框架梁柱的抗彎能力來抵抗風(fēng)荷載和地震荷載產(chǎn)生的水平力，這種通過加大梁、柱截面來提高整個(gè)框架抗側(cè)移剛度的方法不夠經(jīng)濟(jì)。所以純框架結(jié)構(gòu)體系一般僅用于基本風(fēng)壓較小、無抗震設(shè)防或低烈度地區(qū)，且其高度也有所限制。

3.2框架抗震墻結(jié)構(gòu)

框架抗震墻結(jié)構(gòu)相對(duì)于純框架結(jié)構(gòu)來說有兩道抗震防線，其抗震性能大幅提高，高度限制也較小，也比較經(jīng)濟(jì)。但由于氣化框架內(nèi)設(shè)備和管線密布，抗震墻的設(shè)置將會(huì)嚴(yán)重影響工藝管線布置，同時(shí)抗震墻的設(shè)置對(duì)設(shè)備安裝非常不利，所以框架抗震墻結(jié)構(gòu)體系一般情況下不宜采用。

3.3框架-支撐結(jié)構(gòu)

框架-支撐結(jié)構(gòu)也是兩道抗震防線，其抗震性能好。此時(shí)，柱不再承擔(dān)水平力，只承擔(dān)豎向力，但是柱要作為承擔(dān)水平力的安全儲(chǔ)備，水平力則由柱間支撐來承擔(dān)。在水平力作用下，柱間支撐通過剛性樓板或水平支撐傳力至剛接框架上并與之共同工作，形成了雙重抗側(cè)力的結(jié)構(gòu)體系。此種結(jié)構(gòu)體系同樣具有平面布置靈活、內(nèi)部空間利用率較高等特點(diǎn)，基本能滿足框架內(nèi)工藝布置、管線走向的要求，這種結(jié)構(gòu)體系也合理、合規(guī)，設(shè)計(jì)參數(shù)、計(jì)算參數(shù)也很容易滿足；同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)體系也經(jīng)濟(jì)合理。所以氣化框架結(jié)構(gòu)方案宜優(yōu)先選用這種結(jié)構(gòu)體系。

3.4下部純框架+上部框架支撐結(jié)構(gòu)

下部純框架+上部框架支撐結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)體系是我國到目前為止規(guī)范上都沒有明確定義的一種結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)形式的存在有其歷史原因，這里就不再過多討論。此種結(jié)構(gòu)主要是指下部為混凝土框架，上部為鋼框架支撐；下部為混凝土框架，主要考慮汽化爐層設(shè)備荷載非常重，柱軸向力很大，用混凝土柱比用鋼柱節(jié)約，下部不設(shè)柱間支撐是方便工藝布置；上部用鋼框架支撐結(jié)構(gòu)是考慮框架施工及設(shè)備安裝的可操作性，且其工期不長(zhǎng)也容易控制。此種結(jié)構(gòu)形式比較經(jīng)濟(jì)，但規(guī)范依據(jù)或支撐性差，阻尼比的取值難以確定，設(shè)計(jì)參數(shù)、計(jì)算控制參數(shù)難以確定，需要提請(qǐng)超限審查，一般情況下不建議采用。

表1　常用結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)劣對(duì)比

注：表中上部、下部的分界層一般是汽化爐作用層。

4　方案推薦

探討的上述四種結(jié)構(gòu)體系中，煤氣化框架宜優(yōu)先選用的結(jié)構(gòu)體系是框架-支撐結(jié)構(gòu)體系，在這種結(jié)構(gòu)體系中，認(rèn)為下部鋼支撐矩管混凝土柱鋼框架+上部鋼框架支撐這種結(jié)構(gòu)尤其適合煤氣化框架。

4.1滿足工藝布置要求

此種結(jié)構(gòu)由于軸向力由鋼柱和內(nèi)部的混凝土共同承擔(dān)，使得柱截面較鋼柱要小得多，增加了框架內(nèi)部的使用空間，有利于工藝布置，同時(shí)，鋼梁的截面要比混凝土梁小很多，甚至大跨度的梁可以采用矩形鋼管混凝土桁架，增大了樓層的凈空，有利于布置內(nèi)部復(fù)雜的工藝管線。

4.2規(guī)范依據(jù)或支撐性好

在《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS159-2004中，對(duì)此種結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系、材料選用、各種設(shè)計(jì)參數(shù)、控制指標(biāo)、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、構(gòu)造要求、構(gòu)件制作、施工要求等都有明確定義或規(guī)定，所以這種結(jié)構(gòu)符合現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范，有利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行，圖紙審查方面也更容易通過。

4.3滿足框架施工及設(shè)備安裝的要求

此種結(jié)構(gòu)的施工幾乎等同鋼框架的施工，矩管鋼柱的強(qiáng)度足以滿足施工要求，矩管內(nèi)混凝土的施工也不需要模板，這就大幅縮短了施工的工期和節(jié)約了費(fèi)用；同時(shí)，由于鋼梁安裝和拆卸的靈活性，設(shè)備安裝方案特別是重、大設(shè)備的吊裝方案能更好的得到實(shí)施，工期縮短，費(fèi)用減少，安全得到保障。

4.4經(jīng)濟(jì)性

此種結(jié)構(gòu)兼有鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，充分發(fā)揮了材料的各自特性，能夠減低工程造價(jià)、縮短工期、節(jié)約材料、減少能耗，整個(gè)框架的經(jīng)濟(jì)性能較好的得到體現(xiàn)。

5　結(jié)語

煤氣化框架的結(jié)構(gòu)方案選擇應(yīng)首先考慮結(jié)構(gòu)的安全性和合規(guī)性，其次要考慮滿足工藝布置的合理性，然后是框架施工及設(shè)備吊裝的可行性，最后才是經(jīng)濟(jì)性；應(yīng)力求做到工藝布置與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工組織的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一，盡量避免結(jié)構(gòu)方案與工藝布置的實(shí)現(xiàn)、施工組織的實(shí)施有沖突甚至無法調(diào)和。煤氣化框架宜優(yōu)先選用框架+支撐的結(jié)構(gòu)體系，宜選用下部鋼支撐矩管混凝土柱鋼框架+上部鋼框架支撐這種結(jié)構(gòu)形式。

1GB50011-2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

2JGJ3-2010,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

3JGJ99-2015,高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

4CECS159-2004,矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

5JGJ138-2001,型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

6GB50160-2008,石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

*黃東：高級(jí)工程師。1997年畢業(yè)于湘潭工學(xué)院工民建專業(yè)。一直從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話：(028)65531836，E-mail:huangdong2@chengda.com。

2016-04-03)