LNG領域中ORV支撐結構分析設計

周小歆

中海油石化工程有限公司 濟南 250010

在LNG領域中，ORV(開架式氣化器)利用海水溫度使液態LNG氣化，因其運行成本低、環保、安全等優點，是一種常用的氣化器類型，也是LNG制造中的重要設備之一。ORV需要支撐在混凝土基礎上，因此，需要結構專業針對ORV的特點進行支撐結構的設計。

ORV設備一般由特定廠商設計，其內部管線復雜，預埋件預留孔多，平臺樓梯的設計較復雜；另外，對ORV支撐結構進行建模計算、設計分析、繪制設計圖等參考依據也少。本文以某LNG項目中的ORV支撐結構為例進行分析探討，希望對設計人員有一定參考意義。

1 ORV支撐結構的設計輸入條件

結構專業進行ORV支撐結構設計的依據一般是廠商條件和管道專業條件。本文以某廠商的條件圖為例進行分析設計，條件圖見圖1～圖6、荷載見表1。

圖1 條件圖(平面圖)

圖2 條件圖(立面圖)

圖3 條件圖(側視圖)

圖4 條件圖(A-A)

圖5 條件圖(B-B)

圖6 條件圖(C-C)

表1 單根預埋螺栓位置點受力表

2 結構分析

2.1 從條件圖里提取結構分析計算所需的基本構件

結構分析常見的構件有板、梁、柱和墻，不同類型構件受力特點不同，從而簡化的計算模型也不同。從廠家條件圖里可提取的構件信息見表2。

表2 構件信息匯總表

2.2 確定總體結構類型

(1)方案一：框架剪力墻結構

根據表1提取的構件信息，直觀上很容易將此結構判斷為框架剪力墻結構，總高度8.486m，按照梁的布置確定分層情況，整體計算中可忽略樓梯影響。

根據上述假定，建立模型進行試算，計算模型見圖7，經試算后計算結果見圖8。

圖7 方案一計算模型

圖8 超筋超限信息

由圖8可以看出，超限的均為剪力墻，因為把200mm厚的墻作為抗震剪力墻，由于平面內剛度比柱的剛度大很多，承擔很大部分的地震剪力，在水平地震剪力作用下單片剪力墻底部承擔的水平剪力>結構底部總剪力的30%,框架部分和剪力墻部分受力不合理[1]。

此外，此結構的兩面墻體并非全高設置，抗震性能非常不好。如果繼續采用框架抗震墻結構進行計算分析，必須對框架部分和墻體部分的尺寸進行修改，與廠商推薦尺寸差別較大，對內部管線和構件布置影響較大。

鑒于總高度比較矮，抗震墻分布并非普通結構中的全高分布，框架部分縱向無約束，抗震墻作為整個結構的縱向聯系構件，只需考慮在縱向分擔的地震力即可。從構造上可以將框架部分增大配筋系數，抗震墻的配筋適當減少，保證地震工況下框架部分有足夠的剛度抵抗水平剪力。

(2)方案二：框架結構

根據方案一存在的問題，對墻體進行分析：首先墻體厚度較小，地震工況下受力大，不滿足截面要求；其次，墻體分布不均勻，其中兩側墻體不是全高設置，且有一面墻體非常矮，高度小于1.2m，另一面墻體開洞較多，均為抗震不利條件；第三，墻體從受力角度來講，僅起到維護功能，不承擔管線荷載和操作荷載。綜上因素，有充分理由可忽略四面墻體的作用，僅考慮柱和梁的剛度，將此結構簡化為框架結構。

根據上述分析結論，建立方案二的模型并計算分析，計算模型見圖9、計算指標匯總見圖10。

圖9 方案二計算模型

圖10 方案二計算指標匯總

從圖10中看出，計算指標均符合規范要求，因此，對ORV支撐結構簡化為框架結構進行計算分析是合理的。

同時要注意，簡化為框架結構計算時，每榀框架的橫向均為梁柱剛接框架，但是縱向沒有形成梁柱框架，受力更接近于平面二維結構，鑒于本項目計算后X、Y向位移指標都符合規范要求，可不再考慮裝置內部構件剛度的影響。實際上，在結構頂部，有吊掛LNG管道的鋼梁，這樣整個結構實際是雙向梁柱抗側力的，此鋼梁的作用會使整個結構實際縱向位移小于計算值，對工程設計是有利的。

方案二的假定前提是混凝土墻不參與整個結構的受力分析，設計中需要采取措施，減弱混凝土墻剛度對框架剛度的影響，節點做法見圖11，同時對框架結構的剛度進行折減，折減系數可取0.8。

圖11 柱墻節點

方案一和方案二各有優缺點，設計中可根據具體情況選擇其一計算，也可以兩者包絡設計，保證安全可靠。

3 結構設計

3.1 支撐結構等級界定

ORV氣化器是LNG接收站的重要設備之一，其支撐結構的安全等級為一級，重要性系數為1.1，抗震等級要提高一級。

3.2 框架柱的設計

ORV支撐結構的框架柱尺寸較大，縱筋間距大，要保證箍筋肢距滿足規范要求：抗震一級不宜大于200mm，二、三級不宜大于250mm。考慮到此結構層分布不規則，管道荷載較大，框架縱向剛度弱，柱的箍筋應全高加密，箍筋構造要滿足規范GB50011[2]中表6.3.7-2要求。

3.3 支撐海水管結構層的設計

整個ORV支撐結構根據梁的布置可分成多層考慮，最重要的結構層是支撐較大管道荷載的結構層，支撐海水管荷載的位置位于裝置外部[3]，需要做懸挑梁作為支撐，懸挑梁本身就屬于靜定結構，沒有多余的贅余度，對此部分的設計必須引起重視。本工程針對管道支撐條件，對管道支撐處設置為懸挑梁上起柱形式，對懸挑梁加大尺寸，箍筋加密加箍，箍筋間距≤100mm，詳細設計見圖12。

圖12 支撐管道層結構圖

3.4 頂部結構層的設計

頂部框架梁頂通過螺栓固定H型鋼梁，此鋼梁用于固定懸吊裝置(懸掛LNG管線)，橫梁承受的荷載包括設備荷載和流體荷載，每個螺栓受力點承受的設計荷載約15t，中間橫梁螺栓受力點最多，共有8個。因此頂部框架梁尺寸一般較大，考慮到框架梁的受荷情況，箍筋應全長加密。螺栓定位要準確，施工前設計圖應與廠商安裝圖核對無誤后再預埋施工。

3.5 樓梯設計

樓梯部分要根據廠商要求的使用功能進行詳細設計。樓梯位于裝置外側，大部分需要懸挑梁或懸挑板滿足剛度要求，且這部分要考慮舒適方便的要求。

(1)建筑要求

根據規范GB50016中6.4.5條要求，室外疏散樓梯傾斜角度不應大于45°，欄桿扶手的高度不應小于1.1m，樓梯凈寬不應小于0.9m。根據規范GB50352[4]中6.8條要求，樓梯凈寬應為兩側扶手中心線的距離或扶手中心線與一側建筑外表面的距離。樓梯平臺凈高不應小于2.0m，梯段處凈高不應小于2.2m。踏步寬度按250mm設計，大小可做稍微調整。

(2)結構要求

梯梁宜兩端支撐，當不滿足兩端支撐時，梯梁優先從框架柱上懸挑；當為滿足樓梯踏步尺寸和傾斜角度而不能直接從框架柱上懸挑時，應在梯梁支點處設暗柱(梯柱)，不得直接從混凝土墻處或框架梁處懸挑，防止墻、梁平面外被破壞。樓梯平臺可懸挑或多邊支撐，滿足凈空要求。

樓梯宜采用板式樓梯，樓梯形式可參考圖集16G101-2和15G307。

3.6 基礎設計

LNG被ORV氣化器中的高溫海水氣化，被吸走熱量的海水要從地面排到海水渠[5]，整個裝置內室內地面標高到設計水位線常年受海水沖刷。在此種環境下，一般構造的地面達不到設計使用年限，需要結構直接在地面就開始做基礎。通常做法是整個裝置下做筏板基礎，基礎頂標高即地面標高，并用細石混凝土或水泥砂漿找坡，坡度一般0.3%，方便海水流出。根據地勘報告土質情況確定筏板是做天然地基還是樁基處理。關于基礎的計算與其他結構相同，本文不再贅述。

3.7 預埋件預留洞

ORV氣化器支撐結構的預埋件預留洞較多，結構專業應根據條件進行預留預埋，預埋件要注明標高(注意二次灌漿層厚度)和定位，預埋件中心與基礎應滿足4d(螺栓直徑)和150mm的較大值，不滿足時應跟廠商溝通更改尺寸，避免與其他管道或構件碰撞。

4 結語

本文對LNG項目中的ORV支撐結構的分析設計進行論述，確定了結構類型和計算模型，并介紹了該結構設計中的框架柱、結構層、樓梯、預埋件預留洞的規范要求和注意事項，同時附上其實際項目的做法供參考，補充完善了該特殊結構的設計方法和規定。該項目施工后運行良好，其對ORV支撐結構的設計研究方法和規定為后續設計人員提供了參考。