石油化工鋼結構廠房抗震設計

劉祖源

（天津渤化工程有限公司，天津 300193）

目前，鋼結構廠房在石油化工行業得到了廣泛的應用。 與傳統的混凝土結構廠房相比較，鋼結構廠房施工速度快、工期短，可以快速投產獲利，從而達到投資者及早回收成本的目的。 同時，石油化工廠房因其特殊性，更應考慮控制其避免被地震破壞，并保證其震后正常的生產功能。 因此石油化工廠房要尤其注意其抗震性設計[1，2]。

1 抗震設計應注意的重要方面

1.1 石油化工鋼結構廠房設計圖紙

對于任何類型的項目，圖紙都是項目建設的基礎。 鋼結構化工廠房設計時，應召集施工單位專業技術人員審圖，檢查施工圖是否存在“錯誤、遺漏、磕碰、缺陷”。 施工前應進行有效排查，避免工程質量因圖紙問題惡化，影響施工進度。

1.2 對石油化工鋼結構廠房支撐系統的設計原則

以工廠結構形狀為基礎，保證石油化工鋼結構廠房空間運行，保證整體結構的穩定性。 車間起重機的安裝、車間跨度高度、溫區長度等都應有穩定的支撐系統。 廠房的每個溫區都必須配備穩定的柱間支撐系統，并且必須與屋頂的水平支撐布置相協調。

1.3 石油化工鋼結構廠房抗震設計要點

首先，在廠房建設前應充分考慮結構的抗震性能，但基于重力、剛度等條件，在總體布局上也要盡量保證安全性。 當受外力作用時，在剛性較弱的地方，會產生積累，并成為安全隱患。 同時，在結構上應利用更堅固的框架來減少結構的變形。 其次，在施工過程中，要充分考慮失穩問題，鋼結構的強度要能夠充分滿足施工需要，因此需要對支撐系統進行更多的改進，以提高整體穩定性，并發揮其抗震性能[3]。

2 石油化工鋼結構廠房抗震設計方法

2.1 石油化工廠房的結構平面布置

石油化工廠房一般結構比較復雜和龐大，其設計必須遵循一定的設計規則，許多化工廠房工藝設備重量不均，難以分散作用在化工廠房結構上的力，如果結構不合理，受力將出現不均勻。 一旦發生地震，就會造成更大的破壞。 在規劃過程中，化工廠房最好設計成長方形，在三維設計中，應做好化工廠房結構的幾何對稱分布，在一些建筑物內部的結構單元中，應對稱分布一些抗側力構件[4]。 如果工藝設備本身比較笨重和密集，則應將其放置在剛度中心附近，確保化工廠房中的受力相對均勻。 在結構剛度差異較大的化工廠房中，必須安裝一些抗震接頭。 在進行重型吊車鋼柱的選型時，應充分考慮鋼材消耗的經濟指標和固定材料的方便性。 通過實腹柱和格構柱兩種方法， 設計人員可以充分比較各項技術經濟指標，根據實際情況綜合評價，選擇最佳方案，既保證了工程的合理性，還可以通過設計提高施工的便利性和經濟性[5]。

2.2 地基基礎

石油化工鋼結構廠房在選擇地基時，應選擇同一結構單元的土層，避免同時選擇性質差異較大的土層作為地基。 很多工廠為了在選擇地基時省錢， 往往將天然地基與人工地基結合起來使用，這樣容易出現問題，即便出現較小的外力，也可能會損壞地基，建筑物可能會倒塌，造成人身傷害。 為了使基礎受力均勻，應加深基礎或增加樁長。 在設計中應采取一些預防措施，以加強基礎的整體性[6]。 在某些地區，地基的支護結構可能會遇到軟土地基，設計時必須充分考慮這些影響因素，以免損壞建筑結構，防止地震期間液化土層下沉，也就是加固地基，目前很多地基工程采用振動的方法加固液化土層。 加固完成后，土層標準測試應該使用現行標準進行測試。

2.3 石油化工鋼結構廠房有限元空間模型的建立

化工廠房多屬于不規則建筑，除結構自重和多臺工藝設備引起的靜或動荷載外，還要考慮地震荷載。 某化工裝置主廠房長180m，11 列，寬126m， 分為7 跨。 該工藝的核心設備布置在4～5跨中間的高層部分，高度為50m，周邊車間高低不平，主車間有雙層吊車，難度大。 有限元模型應在3D 空間建立， 考慮工廠和所用設備的實際結構、分析計算的要求、結構本身的復雜性和設備載荷。主樓的梁和鋼柱根據主樓的計算方法用實心腹桿代替節點，各構件位置完全根據實際結構布置。

2.4 結構體系

2.4.1 支撐體系

支撐系統可以在確保化工廠房結構穩定性方面發揮重要作用。 在地震中，部分支撐斜桿發生扭曲，會導致結構扭曲變形，影響整個化工廠房結構的安全。 目前，關于柱間支撐的研究很多，應用最廣泛的是在化工廠房單元中間安裝上下柱支撐，并將地震力直接傳遞到其他結構。 如果存在無法直接傳遞的情況，則需要采取一些加強措施。

2.4.2 圍護結構

與外殼結構的連接不足，通常會造成嚴重損壞。 在未來的設計中，充分考慮將柱子和墻體結合起來，并注意填充圍護結構的高寬比。

2.5 變形控制設計

基于計算的假定值，普通鋼結構框架的化工廠房設計通常假設屋頂剛度趨于無窮大，撓度太大而無法滿足要求。 標準規范對起重機軌道頂部位置的水平位移有非常嚴格的規定，如果頂梁剛度太小，鋼柱就會變成懸臂柱，位移達不到要求。在傳統屋面應變控制設計過程中，主要是使用柱子和屋架相鉸接形成桁架屋面梁，這是由于屋面板的尺寸大，荷載相對較大，導致容易出現漏水的問題，桁架屋梁的剛度越大，結構安全性越高。隨著技術的不斷發展，目前一般化工廠房的建設主要采用實腹式梁和輕型的彩鋼板屋面。 在這種情況下，屋梁變形問題不嚴重，不存在漏水問題，是比較理想的。 因此，一般石油化工鋼結構廠房屋頂變形結構的設計必須保證科學合理的設計，以提高結構的設計質量。 對于大噸位起重機和輕型屋面鋼結構廠房，要注意解決屋面鋼梁撓度問題，避免造成大量浪費，因此，對于鋼梁撓度的設計指標可以適當放寬。

2.6 抗震性能化設計的概念和步驟

抗震性能化設計，是一種建立在概念設計基礎上的抗震設計新理念，其抗震設防目標不應低于規范的最基本的抗震性能目標，它是根據工程的具體情況，立足于承載力和變形能力的綜合考慮，確定合理的抗震設防目標，采取恰當的計算和抗震措施， 實現抗震性能目標的要求。它根據不同地震動作用（小震、中震及大震）、不同構件（關鍵構件、普通豎向構件、耗能構件）、以及同一構件的不同內力（軸力、彎矩、剪力等） 提出不同的性能目標和設計計算方法，從而實現結構安全和經濟的協調統一。 通過制定不同的性能水準進行設計，可以保證結構在地震下的安全性能和使用性能。 同時，在抗震性能化設計過程中，依然要嚴格遵循抗震概念設計的基本原則，諸如強柱弱梁、強剪弱彎、強連接弱構件等。

在多遇地震下， 根據建筑抗震設防類別、場地類別、結構體系類別、設防烈度等確定抗震設計參數，通過反應譜法進行抗震計算分析，結合以抗震等級為核心的內力調整、抗震構造措施等進行截面設計，其基本原則是“高延性，低彈性承載力”、“低延性，高彈性承載力”。

化工廠房由于其特殊性，有時需要控制其在大震下建筑和設施的破壞，保持地震時正常的生產生活功能，減少地震對社會經濟生活帶來的影響，此時有必要采用高于基本抗震設防目標的性能化設計方法； 有時地震作用不是主要控制作用，此時可以相應降低抗震構造以節省造價。 為此筆者按照《鋼結構設計標準》（以下簡稱《鋼標》）總結了鋼結構抗震性能化設計步驟與方法流程圖（見圖1）。

圖1

總之， 由于設計安裝時間短、 用鋼量低、工業化程度高， 鋼結構已成為現代建筑業不可缺少的組成部分，廣泛應用于倉庫和廠房。 在設計石油化工鋼結構廠房，尤其是大型化工廠房時，不能想當然地設計，而是要結合實際情況，綜合考慮地理環境等因素。 在充分了解石油化工鋼結構廠房的結構設計和實際工業需求后， 找到最優方案，進行設計。 通過優先考慮工程質量，可以在現代建筑設計中傳達節能、環保、美觀的理念。