室外石油化工装置开敞式钢框架结构设计浅析 2021年第1期 宁波化工 - 33 -
【工程设计】
室外石油化工装置开敞式钢框架结构设计浅析
汤建华
宁波市化工研究设计院有限公司 浙江 宁波 315040
【摘 要】在石油化工装置里，室外钢框架应用相当广泛，框架上有立式设备、卧式设备、块式设备、空冷器、管线等，与民用建筑结构有很大的不同。本文主要介绍室外开敞式钢框架的结构计算和设计。 【关键词】 石油化工 多层设备构架 钢结构设计计算 中图分类号：TU391 文献标识码：A 光波网本文首发于维普资讯中文科技期刊数据库.《工程技术（全文版）》， 首发日期2019年4月2日。经原文作者汤建华及《工程技术（全文版）》许可，《宁波化工》转载此文，供业内工程技术人员探讨、交流、学习用。
1室外钢框架结构特点
（1）没有围护结构，内部设备、管道、构件暴露在风荷载作用下，其风荷载计算与民用封闭式建筑相比有很大的不同。 （2）平台(楼面)多为钢格板或花纹钢板，平面刚度小，开洞多，按抗震规范属于平面不规则。
（3）错层多，立面不规则。
（4）结构支撑的各种设备，对结构动力特性的影响大。 （5）设备抽芯、安装，工艺配管影响，柱间支撑可能不连续。
2室外钢框架结构设计工作遇到的问题 2.1结构难以符合现行抗震设计规范规则性要求
因铺板是钢格板、花纹钢板的钢平台，结构层水平面刚度差。设计计算中有经验的设计师会发现，抗震设计规范中的楼层水平抗扭转规则性要求并不适用。此类开敞式多、高层工业钢框架尤其是立面错层多的框架层间位移角、刚度、变形等控制等指标也宜采用合理可靠度高的数值。 2.2设备、管道、结构构件、梯子栏杆风荷载导算较繁琐
若将设备、管道、结构构件、梯子栏杆风荷
载作用简化于迎风面对内力计算结构影响很大。 2.3设备对结构设计的影响大
（1）支承各种小型设备的设备梁抗震计算时要考虑结构对地面加速度的放大作用和设备对平台加速度的放大作用。
(2)较大设备对主体结构动力特性的影响不可忽略。
(3)设备荷载特殊性：有时重心高悬；检修时平台附加活荷载等。
建议：结构楼层支撑刚性设备，或支撑柔性设备的重量小于含设备的结构总总量的10%时，设备可不参与结构整体建模。
结构楼层支撑柔性设备的重量大于含设备的结构总总量的10%时，设备模型宜建入到主体结构模型中，设备应采用刚度和质量分布于实际相当的模型。
3如何把握开敞式多高层钢框架抗震概念设计 钢结构体系应符合下列各项的要求，以确保具有良好的抗震性能:
消化道传染病(1)应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。
(2)应保证连接节点不先于构件破坏。 (3)应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载力。 (4)应具备必要的抗震承载力，良好的变形能力和塑性耗能能力。
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(5)对可能出现的薄弱部位，应采取措施抗震其抗震能力。 4荷载和地震作用 4.1荷载的分类
框架上荷载分永久荷载和可变荷载: (1)永久荷载：结构自重、设备自重、管道自重、设备保温层重。
(2)可变荷载：设备介质重，设备充水水重，设备动荷载，空冷器风机和电机的当量荷载，管道的支座、设备支座及裙座的水平和竖向推力荷载，钢平台均布活荷载、风荷载等。 4.2室外钢框架风荷载计算
(1)框架上的风荷载应包括梁、柱、斜撑、栏杆和设备产生的风荷载。计算风荷载时应考虑前后榀框架间、前后设备间的遮挡。(SH/T3077-2011-6.4.1)
（2）在风荷载计算时，开敞式钢框架与封闭式钢框架相比较，最大区别就是它四周没有维护结构，整个钢框架（梁、柱和支撑）、平台、钢栏杆、钢梯及设备和管线等都暴露在风的作用下。
（3）与钢结构塔架相比较，室外钢框架的平面形状、挡风面要复杂很多，因此不能直接按塔架的体型系数来计算风荷载。
（4）室外钢框架结构设计中风荷载计算有两点不确定：第一，按封闭式框架手工简化计算室外钢框架的风荷载，造成的误差过大；第二，室外钢框架内部设备较多，前面设备对后面设备的遮挡作用，手算很困难。
（5）使用封闭式钢框架计算软件导算开敞式钢框架风荷载很不合理。 4.3支承设备的室外钢框架地震作用
1)钢框架上小型设备地震作用按建筑抗震设计规范附录H.1.5计算。
水平地震作用标准值Fs=αmxa （1+Hx/Hn ）Geq （2）钢框架上较大设备地震作用 设备质量较大时，设备振动对主体结构的反馈影响也较严重。应当采用壳单元把立式设备建进整体计算模型。
（3）设备梁计算要求
一般的平台梁（相当于民用建筑次梁）不需要抗震设计。支承设备（无论大型设备或小型设备）的梁（称之为设备梁）需要抗震设计 。
综上：支承小型设备的设备梁，地震作用效应可按GB 50011-2010 H.1.5算的水平地震作用及相应的倾覆力矩计算其内力。传给主体结构的水平地震作用仍按设备质量位于钢平台参与主体结构按振型分解法计算。
支承较大设备的设备梁，最好不要按GB 50011-2010 H.1.5算的水平地震作用，应采用壳单元把立式设备建进整体计算模型。设备梁的地震作用效应根据振型分解法、时程分析求得。
对于室外钢框架，由于不引入钢平台无限刚假定，自由度量大，需要考虑很多振型数，才能使“质量参与系数”大于0.9。
存在薄弱部位的室外钢框架应当用弹塑性时程分析补充计算。 5荷载组合
承载能力极限状态下，室外钢框架应分别按正常操作、停产检修、充水试压、地震作用四种工况进行荷载效应组合，取最不利情况进行构件承载力设计 (SH/T3077-2011-表7.3.3) 。 6室外钢框架柱稳定计算
（1）目前钢框架柱稳定计算方法还是以“柱计算长度方法”为主，计算长度决定长细比，长细比决定稳定系数。但因钢结构的复杂性，合理确定柱计算长度对保证结构安全度十分重要。
（2）按“新钢规”确定室外钢框架柱的计
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算长度，根据GB 50017-2017第8.3条将框架分为无支撑框架和有支撑框架。无支撑框架框架柱的计算长度系数u 按本标准附录E 表E.0.2有侧移框架柱的系数确定或按简化公式计算。有支撑框架，当支撑结构（支撑架、剪力墙等）的侧移刚度满足式(8.3.1-6)要求时，判定为强支撑框架，框架柱的计算长度系数u 按本标准附录E 表E.0.1无侧移框架柱的系数确定或按公式计算。
从石化室外钢框架设计中总结出，符合柱间支撑，或抗震规范的中心支撑最大长细比要求的支撑均符合强支撑条件。 因此对于室外钢框架，从上到下各层间均布置中心支撑的（一榀）框架可按无侧移框架确定框架柱计算长度。 7钢平台水平支撑 7.1钢平台水平支撑的作用
(1)钢平台水平支撑可提高钢框架整体空间作用，有利于各榀框架协同工作共同抵抗水平地震作用。
(2)设备层的水平支撑可以减小设备梁、框架梁绕弱轴的弯矩。使设备梁、框架梁受力更合理。
(3)局部竖向支撑不连续的框架可以通过加强局部无支撑处上下层的平面刚度，利用其他有支撑框架的来抵抗水平地震作用。 7.2平台水平支撑设置要求
(1)平台上有设备、管道支座、支架吊点等水平荷载作用时（例如框架平台上设置有空冷器，大型柔性设备），该层应设置可靠的水平支撑系；
(2)当钢框架各榀框架侧向刚度相差较大、竖向支撑布置又不规则时，宜在顶层、中间层设置水平支撑；
(3)平台铺板采用钢格栅板时，应在顶层并至少每隔一层设置水平支撑。 8钢框架梁柱节点
(1)钢结构梁、柱连接节点应做到等强连接。 （2）节点域是框架梁柱刚接节点处，柱腹板在梁高度范围内上下边设有加劲肋或隔板的区域。节点域抗剪不满足时，可加大柱腹板厚度tw 或宽度h 或柱腹板贴板。
节点域屈服承载力不满足时，应加大柱腹板厚度或宽度，并减小梁翼缘截面积。节点域处柱腹板厚度不宜太厚，否则降低了结构延性。 9结语
采用开敞式钢结构设计软件基本能满足室外钢框架的设计要求，如风荷载导算、设备相关荷载导算和各设计工况的荷载组合；选择合理构件设计，经建模分析控制有效质量系数、剪重比、位移比、节点域、应力比等参数，达到计算结果满足结构各大指标的规范要求。
参考文献
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