反應器與樓梯間聯合基礎的計算探討

倪光 王樂遠

摘 ? ? ?要：在石油化工裝置中，反應器樓梯間為很常見的一種構筑物，反應器與樓梯間的基礎常常發生碰撞，為了對其計算方法進行研究，探索簡便、有效的計算方法，從以下幾個方面進行了討論：在設計思路上，首先應該判斷反應器基礎與樓梯間基礎是否碰撞，其次則是進行荷載的簡化;對于荷載的分配，需要同時考慮垂直力、彎矩和水平剪力，并根據規范對各項內力的分配進行加成;對于計算軟件的選用，推薦PKPM與SACD結合使用;對于相關的設計規定及構造要求，文中提出了一些比較重要的且易被忽略的要求;最后，在工程案例中，結合計算軟件對實際的操作方法進行了演示，并對設計的注意事項進行了總結。

關 ?鍵 ?詞：石油化工;反應器;樓梯間;荷載分配;聯合基礎

中圖分類號：TU 323.5 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）05-0910-04

Abstract： In petrochemical units， reactor staircases are very common special structures. Collision often happens between reactor foundation and staircase foundation. In order to study the calculation and analysis method， and explore the simple and effective calculation method， several problems were discussed as follow： For the design ideas， whether the collision of reactor foundation and staircase foundation happen or not should be judged first， and then simplification of loads should be considered. For distribution of loads， vertical forces， bending moments and horizontal shear forces need to be considered together， and then all internal forces should be distributed and added together in accordance with the code. For the selection of calculating software， PKPM and SCAD were recommended. For the relevant design regulations and construction requirements， several important requirements that are easily ignored were proposed in the article. At last， in the engineering case， with the help of calculation software， practical operation process was demonstrated; matters needing attention in the design were summarized.

Key words： Petrochemical industry; Reactor; Staircase; Load distribution; Combined foundation

在石油化工裝置中，反應器樓梯間為很常見的一種構筑物，反應器布置在樓梯間范圍內，由于反應器與樓梯間的質量及剛度有差異，因而自振周期也同樣有差異，設計中盡量獨立考慮，但有時限于裝置的場地較小，樓梯間的軸網間距較小，容易發生反應器基礎與樓梯間基礎的碰撞問題。若反應器基礎與樓梯間的基礎并沒有碰撞，則可各自計算并布置基礎;若二者的基礎發生碰撞，則需要對二者的基礎進行聯合布置，此時在聯合基礎的分析計算中，需要綜合考慮反應器及樓梯間傳至基礎的荷載，并對該聯合基礎進行計算分析。為了探索盡量符合實際情況的計算方法，且兼顧計算的簡便易行與工程要求的精度，本文從設計思路、荷載的分配、計算軟件的選用、相關設計規定及構造要求以及結合工程案例對該類結構的計算進行探討，分析建模計算及細部構造中的注意事項，并結合石化系統內常用的計算軟件給出一種可行的計算方法。

1 ?設計思路

在設計反應器樓梯間的基礎時，首先應各自計算反應器的基礎與樓梯間的基礎，判斷二者是否碰撞。若并不發生碰撞，則情況比較簡單，可以分別單獨布置各自的基礎;若二者的基礎發生碰撞，則需要協同考慮二者的共同影響。樓梯間框架柱荷載傳至聯合筏板基礎上時，可簡化為點荷載，但反應器基礎一般為圓柱式基礎，而且通常尺寸很大，若簡化為點荷載傳至聯合基礎上，則造成反應器中心處集中荷載很大，并不符合實際的情況且容易造成基礎的局部荷載很大，對采用通長配筋的筏板基礎來說，筏板的配筋將偏大。鑒于反應器與圓柱通過螺栓連接，根據《石油化工塔型設備基礎設計規范》SH/T 3030-2009中荷載分配的有關規定，筆者建議可以做如下簡化：將反應器底部的荷載分配到每個螺栓處[1]，即可較為均勻的傳至基礎，這樣也比較符合實際的受力情況。

2 ?荷載的分配

反應器通過地腳螺栓與基礎相連，荷載也通過各個螺栓進行分配，因為反應器傳至基礎頂面處有垂直力、彎矩和水平剪力，所以在對各螺栓點進行荷載分配時，不能只考慮垂直力的分配，還需要考慮到水平剪力的分配以及彎矩對各點的加成作用，彎矩對一側的螺栓處是增加垂直力，對另一側則是削弱垂直力。可根據《石油化工塔型設備基礎設計規范》中的相關規定來進行荷載的分配，其中垂直力與水平剪力可按8.4.1條的規定平均分配至各螺栓點處，彎矩可按附錄C的表C.1進行計算[2]。

3 ?計算軟件的選用

對于樓梯間的計算，國內項目建議采用PKPM設計軟件，對于滿足國內的規范、出施工圖的便利與快捷等方面，相比于其他的結構設計軟件均具有很大的優勢。

為了得到反應器的底部內力，可以采用石油化工特種構筑物軟件SCAD來完成，在SCAD下有CTCAD模塊，可以用來進行反應器的計算，可以得到圓柱支墩的計算結果，并可在計算結果中取出“塔底內力”進行分配至各螺栓點處，然后便可以將所分配荷載布置在PKPM中所建的模型上進行計算。

具體操作時，可在各螺栓點處布置柱，在柱之間設置支撐，用來模擬支墩的整體性，在柱頂布置所分配的荷載，在基礎計算模塊中對樓梯間與反應器的各柱布置聯合基礎，該荷載便可傳至基礎，從而進行聯合基礎的計算。有必要指出的是，該做法并不能完全符合圓柱支墩的實際情況，但考慮到計算軟件計算功能的局限，且該做法可以模擬荷載的傳遞情況，可認為所計算得到的筏板基礎計算結果滿足工程的精度要求。

4 ?相關設計規定及構造要求

（1）在操作狀態下，基礎底面零應力區面積不應大于基礎底面積的25%;在地震狀態下，基礎底面零應力區面積不應大于基礎底面積的15%[3]。

（2）基礎的埋深應綜合考慮地基情況、凍深、相鄰基礎以及地下管道等因素，且不宜小于1.5 m[3];當基礎鄰近存在腐蝕性的儲槽時，基礎底面低于儲槽底面的高度最小為500 mm，采用樁基礎時，最小埋深不宜小于2.5 m[4]。

（3）基礎底板厚度不宜小于800 mm[2]，應采用雙層雙向配筋，受力鋼筋的最小配筋率為0.15%;當板厚大于2 m時，宜在板厚中部設置雙向鋼筋網，直徑不小于12 mm，間距不大于300 mm[3]。

（4）當基礎處于腐蝕環境中時，基礎、墊層的防護要求上應遵守《工業建筑防腐蝕設計標準》GB/T50046-2018的相關規定。

5 ?工程案例

以下根據筆者負責設計的某項目中反應器樓梯間來討論該類聯合基礎的設計。該反應器樓梯間為雙跨結構，軸網尺寸為6 m×12 m，反應器R-101外徑為2 700 mm，地腳螺栓20M48，R-102外徑為3 000 mm，地腳螺栓20M56，平面圖見圖1。

根據《建筑抗震設計規范》8.1.5的規定，采用框架結構時，甲、乙類建筑和高層的丙類建筑不應采用單跨框架，多層的丙類建筑不宜采用單跨框架[5]，故在A、B軸的兩柱之間設置支撐以避免出現單跨框架，支撐見圖1中粗虛線顯示。平臺上鋪設鋼格柵板 ，根據《石油化工構筑物抗震設計規范》，每層均設置水平支撐[6]，根據上述專業所提供的條件以及地基條件，首先用PKPM建模，計算樓梯間的基礎，得到樓梯間基礎的輪廓如圖2：

根據上述專業所提供的反應器基礎設計條件，用CTCAD進行試算，得到反應器R-101、R-102的基礎輪廓（虛線表示）如圖3，此時兩個反應器基礎已經發生碰撞。

綜合考慮圖2及圖3，將樓梯間基礎及反應器基礎布置在同一個圖中，如圖4：

可以看出，不僅兩個反應器基礎已經發生碰撞，樓梯間基礎與反應器基礎均發生碰撞，故必須考慮將兩個反應器及樓梯間聯合設計基礎。

從R-101的計算結果中得到反應器基頂受力情況如下：垂直力N = 2 354 kN，M = 2 196 kN·m，V =199 kN。根據SH/T 3030-2009中8.4.1條及附錄C的表C-1可得如下結果，見圖5：

從R-102的計算結果中得到反應器基頂受力情況如下：垂直力N =7 182 kN，M =5 031 kN·m，V=238 kN。根據SH/T 3030-2009中8.4.1條及附錄C的表C-1可得如下結果，見圖6：

將上述計算所得荷載輸入PKPM樓梯間的模型中，在反應器基礎各螺栓點處布置柱，柱間設支撐，將荷載布置在柱頂節點，樓梯間首層模型見圖8：

然后進入SATWE進行上部結構的計算，滿足各項計算指標后，轉入JCCAD計算，在框架柱與兩個反應器所圍區域布置聯合筏板基礎，設置好相關的地基參數后即可計算，本例取筏板厚度0.8 m，混凝土強度等級C30，鋼筋采用HRB400鋼筋，得到筏板基礎的計算內力及配筋結果，見圖9：

需要注意的是，上述荷載分配及后續計算中，假定水平力為自下向上，然而在實際情況中，由風、地震作用引起的水平力方向可能是自上向下，也可能是自左向右或自右向左，故這幾種情況均應分別考慮，以得到最不利的計算結果，即在工程設計中，應采用包絡設計的方法，保證結構計算的結果安全可靠。

若是將反應器的底部內力按點荷載布置在筏板基礎上，則與實際荷載分布相差較大，造成筏板的計算內力及配筋結果會變大，與實際情況相比，造成巨大的浪費，按集中荷載布置的計算結果，見圖10-1，可見，筏板底部的配筋遠大于正常計算結果。

通過上述荷載分配的計算過程可知，彎矩對某一側的基礎是削弱垂直荷載的影響，對另一側是增加垂直荷載的影響，若是并沒有考慮彎矩的不利影響，只考慮垂直力在各螺栓點處的平均分配，與實際的受力情況則不符，得到的結果也偏于不安全，本例也給出按平均分配所得的計算結果見圖10-2。

綜上可見，后兩種情況與實際情況差別非常大，為不可取的方式，同時在設計中亦應注意各種最不利的情況，并采用對稱配筋設計該類基礎。

6 ?結束語

對于反應器與樓梯間聯合基礎的計算，首先應該研究相關的規范，對荷載的分配與傳遞要有一個明確的認識，同時要立足于力學模型的分析，盡量使計算模型接近實際的情況，保證荷載分配的合理性，綜合各種工況確定最不利的情況，同時熟練掌握各類軟件的功能，這樣才能靈活運用各種軟件，力求保證結構的安全性、技術上的合理性以及結構的經濟性。本文根據現有軟件的功能設置，探索反應器與樓梯間聯合基礎的設計方法，力求簡便易行、安全可靠。在結構設計中，要把每一個結構當成一件作品，精心設計，這也是一名工程技術人員應有的態度和追求。

參考文獻：

[1] 倪光，呂輝，沃拓征，等. 支承塔型設備的框架的計算探討[J]. 當代化工，2018，47（7）：1433-1436.

[2] SH/T 3030-2009，石油化工塔型設備基礎設計規范[S].

[3] SH/T 3066-2017，石油化工反應器再生器框架設計規范[S].

[4] GB/T 50046-2018，工業建筑防腐蝕設計標準[S].

[5] GB 50011-2010（2016年版），建筑抗震設計規范[S].

[6] SH 3147-2014，石油化工構筑物抗震設計規范[S].