地面火炬筒體支撐立柱的結構受力分析計算

2020-07-14 00:47:28營瑩吳敏

山西建筑 2020年14期

營瑩吳敏

(中國船舶重工集團有限公司第七一一研究所，上海 201108)

1 概述

火炬排放裝置是用來搜集和處理石油化工生產過程中產生的廢氣的，是煉化企業安全排放系統的一個重要組成部分。按類型大體可分為地面火炬和高架火炬。隨著近些年煉油裝備制造技術的發展，煉化企業采用的火炬系統也在發生著變化，從原來最初普遍應用的高架火炬到如今地面火炬和高架火炬的同步應用(如圖1所示)。相對高架火炬存在的安全穩定性差，檢修困難，安全防護距離長等問題，國內已經開始使用地面火炬設施。相對高架火炬，地面火炬具有占地面積小，燃盡率高，檢修方便，無光污染，噪聲低，熱輻射小等特性，越來越多的得到了推廣應用[1,2]。

在石化行業很多的項目里，有很多地面火炬，在地面火炬的結構設計中常會遇到一個問題：設備工藝提資是整個火炬筒體的力，而做結構設計時，要對支撐筒體的立柱進行配筋，那如何把整體的火炬體受力分配到各個立柱，繼而對立柱進行配筋計算，是需要重點考慮的問題。本文針對地面火炬結構做了MIDAS/GEN的數值模擬和理論計算，并對兩個結果進行比較分析。

2 工程概況及地質情況

以某石化廠的地面火炬為例，筒體高28 m，設備工藝根據進氣量，設置了12根，截面為500×500混凝土立柱支撐，立柱高4 m，在筒體的外圍，有一圈標高7.5 m的混凝土防風墻。圖2為項目的立面圖。平面布置圖如圖3所示。

地面火炬立柱受力分析：

垂直力：

筒體重量+保溫重量=1 200 kN。

水平推力：

風載荷+水平地震載荷=275 kN。

彎矩(相對立柱頂面EL4.000):

風彎矩+地震彎矩=4 725 kN·m。

3 Midas/Gen數值模型的建立

3.1 基本假定及邊界條件

為簡化計算規模，保證運算結果的收斂，做出基本假定如下：

1)立柱的頂板，做剛性約束，剛性傳力，傳遞筒體上的荷載。

2)筒體和鋼筋混凝土立柱按線彈性材料考慮，各向同性。

3)立柱柱底的邊界條件，選擇D-ALL,R-ALL模型。

4)輸入荷載假定是荷載組合后的結果，減少由計算機的包絡和手算荷載組合的計算過程。

3.2 模型結構設計參數

對于這種不規則結構，采用MIDAS[3-6]的GEN建模，模型如下：

輸入材料特性—建立單元模型—輸入邊界條件—添加荷載—荷載組合—運行—設計—查看結果—內力—查看反力。圖4為根據平面布置和荷載布置建立的計算模型簡圖，上部筒體的力通過剛性連接布置，施加在一個點上。

圖5為運行后查看的內力結果，反力簡圖，△表示反力內力最大的點。圖6為運行后查看的反力內力最小的點。

3.3 模擬結果

通過以上模擬計算，可以得出如下結果：

最大反力：

Fmax=273.5 kN;

Fmin=-63.5 kN。

正值表示壓力，負值表示拉力。在對柱配筋的時候要分別做受壓分析和受拉分析，取最大的配筋結果。

4 理論計算

受力簡圖如圖7所示，單位為kN。

按照《建筑地基基礎設計規范》8.5.4[7]和《建筑樁基技術規范》5.1[8]，對立柱頂，筒體的受力包括豎向力和水平力按照以下公式分配：

1)豎向力。

偏心荷載豎向力作用下分配到每個立柱上的豎向力按力學公式計算:

其中,N為豎向力荷載代表值，包括筒體自重等材料自重；n為立柱的個數；Mx為作用于柱頂的x方向的彎矩；My為作用于柱頂的y方向的彎矩；x為立柱的中心到火炬筒體形心的x向的距離；y為立柱的中心到火炬筒體形心的y向的距離；

2)水平力。

其中，V為水平力荷載代表值，包括風荷載和水平地震荷載；n為立柱的個數。

假設1：先以圓心為中心，

Fmax=267.67 kN；

Fmin=-67.67 kN。

假設2：若以圓邊緣為中心，最遠處點：

Fmax=100+113.8=213.8 kN;

Fmin=-13.8 kN。

5 結果分析

理論計算的結果是：

Fmax=273.5 kN;

Fmin= -63.5 kN。

對軟件計算跟理論結果進行對比計算后得到，最大值相差2.1%，最小值相差6.2%，誤差在工程計算可接受范圍之內。

6 結語

通過以上軟件計算和理論計算的對比，將軟件計算和理論速算的結果進行了分析對比，最大受力偏差2.1%，最小受力偏差6.2%，可以進行相互替代。本文結論可以作為地面火炬結構設計案例參考，在遇到此類問題時可通過以上兩種方式處理，得出柱腳反力后，就可以對立柱進行拉、壓、彎、剪受力分析，進而對立柱及以下基礎，進行配筋等結構設計。