化工一段爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蘇雪蓉梁煥新(.中國(guó)成達(dá)工程有限公司,四川 6004;.成都大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,四川 成都 6006)

化工一段爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蘇雪蓉1梁煥新2(1.中國(guó)成達(dá)工程有限公司,四川 610041;2.成都大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,四川 成都 610106)

一段爐是化工廠重要的化工設(shè)備，由于其體型大、結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜、荷載眾多，再加上工作時(shí)較高的溫度，成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。本文利用sap2000結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，建模計(jì)算并分析了一段爐輻射段鋼結(jié)構(gòu)溫度膨脹滑移以及溫度變化對(duì)鋼結(jié)構(gòu)及混凝土基礎(chǔ)的影響，并給出了合理化建議，可供類似工程參考。

一段爐;溫度應(yīng)力;模擬計(jì)算;限位支座

Abstract:The reformer is an important chemical equipment.It has become a difficult point of structural design because of it large size,complex structure forms,lots of loads and higher temperature at work.This paper uses sap2000 structure calculation software,modeling and analysis the temperature expansion slip of radiation section and influence of temperature change on steel structure and concrete foundation.In addition,some reasonable suggestions are given,which can provide for similar engineering.

Key words:Reformer; Thermal stress; Analog calculation; Spacing support

化工一段爐是甲醇裝置的核心設(shè)備，本文以某項(xiàng)目180萬(wàn)噸甲醇裝置為例，該一段爐結(jié)構(gòu)分為輻射段、過(guò)渡段、對(duì)流段模塊、SCR、鼓引風(fēng)機(jī)、煙囪等部分。其中，輻射段是一段爐中最重要也是最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，爐體內(nèi)部溫度約為700～800℃，根據(jù)專利商所提供的資料，輻射段鋼結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)時(shí)，鋼柱表面升溫約50℃，爐墻表面升溫約55℃，爐底鋼梁表面升溫約110℃，爐頂鋼梁表面升溫約90℃，加上其龐大的體積，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式及眾多的荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

本文以一段爐輻射段溫度變化為出發(fā)點(diǎn)，分析研究了爐底鋼結(jié)構(gòu)和混凝土基礎(chǔ)在溫度作用下的受力及變形情況，并給出了設(shè)計(jì)過(guò)程中的合理化建議。

1 一段爐輻射段布置形式介紹

一段爐輻射段分為上部鋼結(jié)構(gòu)和下部混凝土框架以及基礎(chǔ)三部分，輻射段立面圖如圖1所示。

上部鋼結(jié)構(gòu)又分為爐底、爐墻、爐體平臺(tái)、爐圖1 一段爐輻射段立面圖頂和屋架部分，內(nèi)部有轉(zhuǎn)化管、彈簧吊架、管道、風(fēng)道、燒嘴、閥門(mén)、操作平臺(tái)等，結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜。上部鋼結(jié)構(gòu)通過(guò)爐底鋼梁及螺栓與下部混凝土框架連接，下部混凝土框架頂設(shè)有限位支座和滑動(dòng)支座，在工作狀態(tài)下上部鋼結(jié)構(gòu)可以在混凝土框架上滑動(dòng)，釋放溫度應(yīng)力。一段爐基礎(chǔ)根據(jù)地質(zhì)情況，采用相應(yīng)的基礎(chǔ)形式。

輻射段爐底支座布置圖如圖2所示，其中支座E4(軸線“E”和軸線“4”的交點(diǎn)，余同)為固定支座，約束X方向位移Dx，Y方向位移Dy，Z方向(豎直方向)位移Dz，以及X、Y、Z三個(gè)方向轉(zhuǎn)角Rx、Ry、Rz；支座A4、B4、C4、D4、F4、G4 約束Y 方向和Z方向位移；支座E1、E2、E3、E5、E6約束X方向和Z方向位移；其它支座僅約束Z方向位移，可向X、Y兩個(gè)方向自由滑移。每個(gè)支座的具體約束形式如表1所示。

圖1 一段爐輻射段立面圖

圖2 輻射段爐底支座布置圖

表1 輻射段支座約束形式

2 溫度對(duì)爐底鋼結(jié)構(gòu)的影響

溫度變化一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，在溫度荷載作用下，鋼結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定的變形，這些變形如果不釋放，將對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的內(nèi)力，影響結(jié)構(gòu)的安全使用。對(duì)于復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，需要建立有限元模型來(lái)解決溫度變化問(wèn)題。

一段爐輻射段的計(jì)算采用SAP2000計(jì)算程序，下部混凝土結(jié)構(gòu)和上部鋼結(jié)構(gòu)整體建模分析。一段爐鋼材材質(zhì)為Q345，彈性模量為206×103N/mm2,溫度線膨脹系數(shù)為12×10-6/℃；混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，彈性模量為3.0×104N/mm2。一段爐輻射段下部混凝土框架同上部鋼結(jié)構(gòu)溫度膨脹滑移模擬采用SAP2000中weld約束來(lái)實(shí)現(xiàn)，并根據(jù)支座的實(shí)際情況對(duì)X、Y、Z三個(gè)方向的位移和轉(zhuǎn)角進(jìn)行約束。Weld在SAP2000中為拼接束縛，可以用于將使用不同剖分的結(jié)構(gòu)模型部分連接起來(lái)。在施加拼接束縛的一組節(jié)點(diǎn)中，內(nèi)部為相鄰的(小于工程師指定的距離容差)一組節(jié)點(diǎn)生成了一個(gè)獨(dú)立的體束縛。需要注意的是，距離容差不應(yīng)該太大，否則會(huì)將本應(yīng)是獨(dú)立模型的各個(gè)部分包括在一起。

依據(jù)專利商所提供的條件，對(duì)輻射段鋼結(jié)構(gòu)的不同部位輸入不同的溫度變化，在溫度荷載作用下，鋼結(jié)構(gòu)的變形如圖3所示(以A軸線剖面為例)。

通過(guò)計(jì)算，可以得到爐底鋼梁在控制溫度下的位移，如表2所示。(其中X向位移向左為正，Y向位移向上為正)

由圖3和表2可知，鋼結(jié)構(gòu)在溫度荷載作用下，X方向的溫度滑移是以軸線“E”限位支座向兩邊膨脹變形，且離軸線“E”越遠(yuǎn)溫度膨脹變形越大。Y方向的溫度滑移是以軸線“4”限位支座向兩邊膨脹變形，且離軸線“4”越遠(yuǎn)溫度膨脹變形越大。上述計(jì)算結(jié)果符合溫度變化規(guī)律，表明計(jì)算模型正確。

為了釋放溫度應(yīng)力，并保證鋼結(jié)構(gòu)的膨脹滑移不影響下部的混凝土框架結(jié)構(gòu)，需要在限位支座上開(kāi)設(shè)開(kāi)橢圓孔。由表1可知，X方向最大位移量為35.1mm，Y方向最大位移量為18.2mm，考慮到理論計(jì)算模型和實(shí)際的區(qū)別，出于安全考慮，將需要釋放X方向位移的開(kāi)孔尺寸確定為50mm，需要釋放Y方向位移的開(kāi)孔尺寸確定為30mm。軸線“4”和軸線“E”相交處設(shè)置限位支座，在限位方向上的螺栓孔不設(shè)置滑移量。

圖3 輻射段鋼結(jié)構(gòu)A軸線在溫度下的變形

表2 爐底鋼梁在溫度下的位移 單位：mm

3 溫度對(duì)混凝土基礎(chǔ)的影響

鋼結(jié)構(gòu)受熱膨脹變形，對(duì)下部混凝土框架會(huì)產(chǎn)生兩方面的影響。一方面鋼梁滑動(dòng)產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦力，這部分力會(huì)傳遞到混凝土框架上，由于結(jié)構(gòu)是由中間向兩邊膨脹，兩個(gè)方向的滑動(dòng)摩擦力相抵消，滑動(dòng)摩擦力對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)整體沒(méi)有影響。另一方面，鋼結(jié)構(gòu)溫度變形對(duì)混凝土框架柱產(chǎn)生豎直方向的拉力或壓力，這些豎向力對(duì)混凝土框架結(jié)構(gòu)合力為零。滑動(dòng)摩擦力和豎直方向的拉壓力對(duì)混凝土框架結(jié)構(gòu)整體沒(méi)有影響，但對(duì)于單根混凝土柱，豎直方向的拉壓力會(huì)對(duì)混凝土柱截面尺寸、軸壓比、配筋率產(chǎn)生影響，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起注意。滑動(dòng)摩擦力和豎直方向的拉壓力將傳遞到下部基礎(chǔ)，對(duì)下部基礎(chǔ)影響較大，下面將做具體分析。由于數(shù)據(jù)量較大，這里以溫度荷載作用下柱底豎向反力為例進(jìn)行分析。

表3 溫度荷載下柱底豎向反力FZ 單位：kN

表3為溫度荷載作用下柱底豎向反力(壓力為正，拉力為負(fù))，從表中可以看出，四個(gè)角點(diǎn)A1、A6、G1、G6柱產(chǎn)生了很大的拉力，其它柱產(chǎn)生了大小不等的拉力或壓力。這是因?yàn)闋t體四周設(shè)有爐墻板，爐墻板在溫度作用下兩端會(huì)產(chǎn)生翹曲變形，從而使?fàn)t墻板下基礎(chǔ)兩頭受拉，中間受壓。由于軸線“A”處爐墻板剛度遠(yuǎn)大于軸線“G”，使得A1和A6點(diǎn)處的基礎(chǔ)拉力遠(yuǎn)大于G1和G6基礎(chǔ)。在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)的四個(gè)角點(diǎn)由于溫度拉力的存在，基礎(chǔ)尺寸往往會(huì)很大。

以柱A1為例，表4為各工況下柱A1的受力情況。其中D為恒載、L為活載、Wx為X方向風(fēng)荷載、Wy為Y方向風(fēng)荷載、Ex為X方向地震荷載、Ey為Y方向地震荷載，T為溫度荷載。

表4 柱A1受力表 單位：kN,m

從表4中可以看出，溫度產(chǎn)生的豎向拉力遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)活載、地震和風(fēng)荷載產(chǎn)生的豎向力，且同結(jié)構(gòu)恒載產(chǎn)生的壓力相差不大。在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，拉力的存在會(huì)使荷載組合下基礎(chǔ)豎向壓力減小或者基礎(chǔ)受拉，為不使基礎(chǔ)底面拉應(yīng)力區(qū)超過(guò)國(guó)家規(guī)范要求，基礎(chǔ)截面尺寸往往較大。

溫度荷載作用下，由溫度變化產(chǎn)生的水平力會(huì)使混凝土基礎(chǔ)受到剪力和彎矩，若混凝土框架較高或者基礎(chǔ)埋置較深，基礎(chǔ)底面也會(huì)產(chǎn)生較大的剪力和彎矩，影響基礎(chǔ)的大小，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中應(yīng)特別關(guān)注。

4 限位支座的設(shè)計(jì)

根據(jù)輻射段鋼結(jié)構(gòu)在溫度下的受力和變形特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了固定支座、X方向滑移支座、Y方向滑移支座和自由滑移支座四種支座形式。下面以X方向滑移支座為例進(jìn)行說(shuō)明。

圖4 X方向滑移支座

圖4為X方向滑移支座，鋼梁的下翼緣開(kāi)設(shè)有長(zhǎng)方形螺栓孔，螺栓孔長(zhǎng)邊方向?yàn)榛品较颍_(kāi)孔大小根據(jù)溫度膨脹位移確定；螺栓孔短邊為約束位移方向，開(kāi)孔大小為螺栓自身所需螺栓孔大小即可。混凝土柱頂上埋設(shè)鋼板，鋼板和上部鋼梁之間設(shè)置聚四氟乙烯板。因此，在溫度荷載作用下，支座就能實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用sap2000結(jié)構(gòu)計(jì)算程序，建模并計(jì)算分析了一段爐輻射段爐底鋼結(jié)構(gòu)溫度膨脹滑移以及溫度對(duì)混凝土基礎(chǔ)的影響，得到以下結(jié)論：

(1)爐底鋼梁在溫度荷載作用下產(chǎn)生膨脹滑移，滑移量要根據(jù)溫升及鋼梁所處位置計(jì)算確定。

(2)爐底支座螺栓開(kāi)孔尺寸由爐底鋼梁的溫度滑移量來(lái)決定，并考慮一定量的計(jì)算誤差。

(3)鋼結(jié)構(gòu)受熱膨脹，會(huì)對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生豎直的拉力或壓力、水平剪力和彎矩。在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)四個(gè)角點(diǎn)由溫度所引起的豎向拉力會(huì)很大，會(huì)成為影響基礎(chǔ)尺寸的控制荷載。

(4)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)在溫度荷載作用下的受力和變形特點(diǎn)，設(shè)置固定支座、X方向滑移支座、Y方向滑移支座和自由滑移支座四種支座形式來(lái)滿足結(jié)構(gòu)位移要求。

[1]SAP2000中文版使用指南(第二版)[M].人民交通出版社，2012.

[2]GB50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]GB50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]GB50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

STRUCTURAL DESIGN OF CHEMICAL REFORMER

Su Xuerong1, Liang Huanxin2
(1.Chengda Engineering co.,LTD in China, Sichuan 610041;2.School of Architecture and civil engineering Chengdu University, Sichuan 610106)

蘇雪蓉(1973-)，女，中國(guó)成達(dá)工程有限公司，研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。梁煥新(1971-)，女，成都大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，研究方向：結(jié)構(gòu)教學(xué)與研究。