型鋼混凝土—鋼結構在石化工程中的應用

崔硯軍

（中海油石化工程有限公司，山東濟南 250101）

0 引言

實踐和理論研究證明，型鋼—混凝土組合結構延性好、穩定性高、承載力強，特別是在重復荷載作用和高頻低周期下具有很好的性能。采用實腹型鋼的型鋼—混凝土組合結構構件的延性性能、強度、剛度、穩定性能，比空腹型鋼的型鋼—混凝土組合結構構件更好。型鋼混凝土框架—鋼支撐結構在工程實踐中已有應用，在技術上是成熟、安全、可靠的，在其他項目中也有應用，但實施效果并不顯著。該結構形式在氣化、尿素等框架中屬首例，是我們借鑒其化工項目的經驗發展、改進、再創新的結果，且在高烈度地震區、軟土地區有著較大優勢。

1 項目概況

本項目為某化工有限公司退城進園、技術改造項目，擬建退城進園項目場地東西長約1176m，南北寬約460m，總用地面積6.6666hm2（66666m2）。擬建工程場地交通較便利。具體位置在泊家莊以東約1km 處，屬于華豐鎮永安寨及東北莊土地。場地西側為規劃華豐路（已通），場地東側為規劃靈山大道，場地南側為規劃堡頭大街，場地北側為規劃北泉河街，交通較便利。

尿素設計界區范圍為尿素裝置界區外1m；整個尿素裝置工程設計范圍包括但不限于CO2壓縮及凈化、尿素主框架（含水解解析）、尿素造粒塔（預留大顆粒）、尿素包裝樓、尿素成品庫、尿素棧橋、尿素裝置配套的公輔工程等；設計能確保從原料液氨及二氧化碳進入界區能生產出合格的尿素產品。除尿素裝置、空分裝置以外，全廠界區以內的生產設施。包括總圖運輸、廠區內的儲運、給排水、供熱、供電、管廊及地下管網、化驗、火炬、消防設施、工廠空氣、儀表空氣和氮氣系統、廠區電信系統、廠區道路照明等。

本項目于2015 年10 月開始基礎工程設計，2016 年6 月基礎設計審查并開展詳細工程設計，同年開工建設，2017 年9 月完成詳細工程結構設計，2019 年年底建成投產。

尿素裝置為整個工程的核心裝置，裝置規模：1700t/d 合成氨，包含日產氫氣48 萬m3/d（預留）；2700t/d 尿素；年操作時間：7200h/年。

尿素主框架聯合布置，通過管廊、走道、平臺連接，尿素主框架低壓區占地30m×20m，共10 層，高23m，各類泵布置在框架地面，CO2汽提塔布置在10.1m，低壓甲銨冷凝器循環水冷卻器布置在8.7m，中間冷凝器布置在23m；尿素主框架高壓區占地22m×20m，共12 層，高79.6m，尿素合成塔布置在25.5m，低壓吸收塔布置在76m，合成塔用吊車布置在88m，框架最高處為高壓洗滌器吊車，約79.6m。

2 自然條件

平均溫度為13.9℃，最高氣溫為41.3℃，最低氣溫為-19℃，年平均降水量為645.9mm，混凝土結構的環境類別為①一般室內環境：一類；①地下結構二b 類；③室外露天環境：二b 類；④結構設計基準期為50 年[2]。

結構設計基準期為50 年，結構使用年限應按GB 50068—2001 第1.0.5 條的規定采用，一般建構筑物結構設計使用年限為50 年（規范另有規定者除外）、環境相對濕度為63%。

土層由上到下分布如下。

1 層粉質粘土，大量分布，厚度薄，力學特性簡單，可用作一般建構筑物基礎持力層。

2 層碎石土，大量分布，厚度薄，力學特性簡單，可用作一般建構筑物基礎持力層。

3 層全風化泥巖，主要分布在場地東部，厚度較小，不存在地下水，力學特性簡單，可用作一般建構筑物基礎持力層。

4 層強風化泥巖，主要分布在場地東部，厚度不均，風化不均勻，不存在地下水，力學特性簡單，可用作一般建構筑物基礎持力層。

4-1 層強風化角礫巖，分布普遍，厚度不均，該層無地下水，力學性質較好。

5 層中風化泥巖，分布普遍，厚度較大，力學性質良好。

5-1 層中風化角礫巖，分布普遍，厚度較大，力學性質良好。

特殊性土評價如下。

場地地層存在的特殊性性土主要為3 層全風化泥巖、4 層強風化泥巖、4-1 層強風化角礫巖。

3 層全風化泥巖，風化呈土狀，力學性質一般。

4 層強風化角礫巖，風化呈碎塊狀，力學性質一般。

4-1 層強風化角礫巖，風化呈碎塊狀，力學性質較好，見表1。

表1 巖土特性 γ、C、φ

3 結構形式

運用型鋼混凝土鋼框架組合結構，在標高40m 以下采用部分型鋼混凝土組合框架結構（部分框架柱、框架梁、較重設備支承梁為型鋼混凝土構件，垂直支撐采用鋼構件，其余構件均為鋼筋混凝土），在框架局部或樓、電梯間設置鋼柱間支撐，標高40m以上為鋼框架—支撐結構。主框架基礎采用獨立基礎、局部采用筏板基礎，基底標高-5.5m，筏板厚度為2.5m，部分框架柱采用柱下獨立樁基承臺。

尿素主框架設置二個樓梯間，其中一個與電梯間相連，均采用鋼結構。整個框架為開敞結構，僅電梯井采用壓型鋼板維護。40m 及以下樓板均為鋼筋混凝土，40m 以上樓板除78m 為壓型鋼板底模與鋼筋混凝土組合樓板外均為鍍鋅鋼格板（G405/30/100G），局部為花紋鋼板。尿素主框架每層標高分別為8m、16m、20.5m、23.5m、25.5m、33m、40.5m、57.5m、63m、67.5m、71.6m、79.6m（吊車梁底標高78.5m），框架縱橫向跨度均為8m（連接跨為8m）。

4 框架上的設備

框架上大型設備較多，有120 臺左右，單體較重，核心設備為尿素合成塔操作重達960t，100t 以上設備近20 臺，設備總重約5kt。其中尿素合成塔高度約40m。尿素合成塔下端剛接于標高25.5m 的樓面，尿素合成塔下端通過衡力彈簧吊在標高40.5m 的樓面梁下，二者上端通過剛性彎管連接。

尿素裝置最為關鍵的設備，形跡以斷裂為主。場地處于岨萊山與蒙山之間的丘陵地帶，北側、東側為柴汶河盆地，起伏較平緩，西側、南側為低山，南側鳳仙山，海拔608.00m，為寧陽縣最高峰，西側彩山，主峰海拔360.50m。本區屬華北地臺背斜魯西斷區，區域內主要斷裂有西部的嶧山斷裂、北部的汶口斷裂、東北部的蓮花山斷裂，南部為徂徠山—蒙山背斜。其中，嶧山斷裂北起肥城、南至微山湖，總體走向為350°，走向不穩定。在NW330～NE25 之間屬張性斷裂，在燕山期及新生代有過活動。汶口斷裂呈弧形展布，向北凸起，斷面向凹陷一側傾斜，傾角在60°～70°之間，斷裂具有強烈的壓扭性。

本項目分析和計算了各種支點條件（57.5m 無支點、有剛性支點、有彈性支點）下，針對不同荷載（100%自重、2 個水平方向的地震荷載作用、2 個水平方向的風荷載作用、總體熱膨脹和局部熱膨脹等）變化情況作用于框架上的荷載。

5 結構簡化計算模型

型鋼混凝土框架—鋼支撐結構在工程實踐中已有應用，在技術上是成熟、安全、可靠的，在其他項目中也有應用，但實施效果并不顯著。該結構形式在氣化磨煤框架中屬首例，是我們借鑒岳陽等煤氣化項目的經驗發展、改進、再創新的結果，在高烈度地震區、軟土地區有著較大優勢，如圖1~圖4 所示。

圖1 結構計算模型

圖2 內力計算結果

圖3 配筋計算結果

圖4 設備布置

6 結構設計及優化

尿素主框架大多采用型鋼鋼筋混凝土結構形式，本工程核心設備尿素合成塔與已有工程相比，荷重是原來的一倍有余，除工藝布置的差異外，主要在于自然條件的差異。

（1）確定合理的結構體系，尤其重視垂直支撐系統、水平支撐系統的布置，使上部荷載更加合理地傳遞；垂直支撐構件采用箱型截面，既有效利用截面特性，又滿足防火防腐及構造要求[3]。

（2）對平面傳力體系進行優化，以減輕結構自重為目標，樓面梁、設備支撐梁采用交叉梁系布置，既使框架梁受力均衡，又能減少梁截面尺寸，減少板厚（確定為120m 厚），保證在滿足平面剛度的基礎上盡可能減少結構自重。固化主要樓面梁布置滿足了邊設計邊施工的建設模式，提高了設計效率，降低了設計人員負荷[4]。

（3）反復比較確定局部采用型鋼混凝土的構件。如果鋼筋混凝土結構的構件全部采用型鋼混凝土，結構體系是最理想的，但會增加鋼的使用量，使經濟效益大打折扣。好鋼用在刀刃上，既減少了截面尺寸，又保證了結構剛度的平緩變化和整個框架的美觀。

（4）結構規則性調整。將尿素主框架低壓區和高壓區分開設縫布置，以滿足高寬比的限制，同時滿足新規范對單跨框架的限制。結構整體抗震性能得到加強。

（5）設備支承優化。在標高25.5m 增設支點，通過改變地腳螺栓的埋設方式，預埋管改為直埋，改進定位模板的方式，很好解決了設備基礎的施工安裝難題。這樣極大減小了設備支承梁的高度（由2.7m 減至2.0m），滿足了工藝布置對凈空的要求。

（6）基礎方案優化。框架基礎采用獨立基礎、局部采用筏板基礎，尿素主框架低壓區和高壓區筏板和獨立基礎各自獨立，解決兩個框架基礎荷載差異較大、沉降不均衡、荷載作用點與筏板重心偏心大的問題；同時使尿素主框架低壓區和高壓區基礎分開布置，使機器震動不影響框架結構。

（7）筏板優化。減薄基礎筏板的厚度采用柱墩滿足抗沖切的要求，既減小了混凝土體積，又達到較經濟的含鋼量，同時也能滿足埋入式柱腳埋深的要求。

（8）轉換層調整。轉換層上移至型鋼混凝土層以上，避免型鋼梁柱與鋼筋的交叉施工困難，保證結構剛度的平緩過渡，同時減少了防火涂料的工程量。

（9）樓電梯間的合理布置。依附于主體結構的獨立樓電梯間的布置不僅滿足工藝布置的要求，也保證了疏散通道的安全，有利于保持結構的整體受力均勻。

（10）注重細節的處理。細節往往決定全局的成敗，設備吊裝方案、設備支座形式、型鋼混凝土節點連接方式、構件中鋼筋根數、施工程序等均是我們關注的重點，該項目結構施工得以順利開展得益于此。

7 實施效果及經濟性指標

該框架實施效果非常好，最大柱截面僅1.5m，尿素合成塔支撐梁和框架梁的截面高度僅2m，滿足了其下部其他設備的空間要求，且遠低于同類工程的截面尺寸，截面面積減少約20%，結構自重由占比55%降至45%，擴大了凈層高，空間有效利用率提高，有利于設備管道布置，擴大操作空間，尤其是樁基工程量顯著減少。

型鋼混凝土框架—鋼支撐結構在工程實踐中已有應用，在技術上是成熟、安全、可靠的，其他項目中也有應用，但實施效果并不顯著。該結構形式在氣化磨煤框架中屬首例，是當前借鑒岳陽等煤氣化項目的經驗發展、改進、再創新的結果，在高烈度地震區、軟土地區有著較大優勢，如表2 所示。

表2 各類型結構形式構件用量比較

8 推廣應用前景

今后，尿素裝置還會不斷涌現，這也是當前的優勢設計出路，型鋼混凝土框架結構相較于高烈度地震區、軟土地區的應用有著較大優勢，結構自重減輕，顯著減輕地震作用，有利于減少軟土地區基礎沉降量；單柱軸向力較低，可減少基礎筏板厚度；結構斷面尺寸較小，截面面積減少約30%，擴大了凈層高，空間有效利用率提高，擴大操作空間，有利于設備管道布置；鋼筋含量、模板量、混凝土澆筑量減少，鋼筋綁扎、模板支設、減少了混凝土澆筑時間，進度加快，有利于縮短工期，提高施工質量。利用型鋼自身承載能力大的優點，可以節省施工時所用的支撐，節約材料；減少預埋件數量；尤為顯著的是極大減少了樁的工程量，縮短施工周期，有著廣泛的應用前景。

在工程實踐中我們還需不斷總結、改進、提高、創新，積累經驗，為同行在結構工程設計領域樹立良好的形象，增強競爭力，創品牌效應。