石油化工管廊钢结构桁架的选型

董海印，杨耀森

（中国寰球工程公司辽宁分公司， 辽宁 抚顺 113006）

石油化工管廊钢结构桁架的选型

董海印，杨耀森

（中国寰球工程公司辽宁分公司， 辽宁 抚顺 113006）

钢结构桁架在石油化工管廊中会经常被用到，目前常用的钢结构桁架形式为平行弦桁架。平行弦桁架根据腹杆布置方式的不同又可以细分为以下几种：单斜式桁架、人字形桁架、无竖杆式桁架。以工程实例作为分析对象，通过PKPM建模分析计算对三种平行弦桁架的经济性、内力和变形进行了对比，通过对比得出：在常规荷载下无竖杆式桁架经济性、抵抗变形能力和承载力均比较突出，但是超静定次数较少安全富余度相对较少，在具体工程中可以通过加大关键部位的截面予以解决。

石油化工；钢结构桁架；平行弦桁架；腹杆的布置方式；选型

石油化工行业中管廊是石油化工厂的组成部分，起到连接各装置或设施的作用，在化工厂中分布非常广泛[1]，主要承载着各种管道和仪表槽盒、电气槽盒以及检修通道。当管廊跨越道路和各种“障碍物”时，跨度会比较大，为满足使用要求桁架结构就会成为一种首选的结构形式。同时钢结构桁架（如图 1）由于其施工的便捷性、改造的方便性等优点，在石油化工行业中被广泛的采用。本文将对桁架的受力特点和石油化工行业中各种钢结构桁架的选型进行探讨，对比各种钢结构桁架的优缺点，为以后的设计工作提供相应的参考。

1 桁架的力学分析

桁架结构中的桁架指的其实是桁架梁是格构化的一种梁式结构。在这种结构形式下各杆件受力均以单向轴向力为主，通过对上、下弦杆和腹杆的合理布置使结构内部的弯矩和剪力合理分布。由于水平方向的拉、压内力实现了自身平衡，所以整个结构对支座不会产生水平推力。

图1 石油化工钢结构桁架Fig.1 Steel truss in petrochemical industry

桁架梁和实腹梁（即一般所见的梁）相比，在抗弯方面，由于将受拉与受压的截面布置在上下两端，增大了结构的内力臂使得以同样的材料用量，实现了更大的抗弯强度。在抗剪方面，通过合理布置腹杆，能够将剪力逐步传递给支座。这样无论是抗弯还是抗剪，桁架结构都能够使材料强度得到充分发挥。

2 石油化工钢结构桁架分类

常用的钢结构桁架根据外形来划分主要包括平行弦桁架、折弦桁架、三角形桁架，结合化工行业管廊荷载相对稳定并考虑施工方便性，根据作者实地的走访调查，目前石油化工行业中主要采用平行弦桁架。平行弦桁架顾名思义其上下弦杆为平行布置的状态，从外观上看更像是一种等截面的格构式梁，平行弦桁架根据腹杆的布置形式又可以细分为单斜式桁架、人字形桁架、无竖杆式桁架（如图2所示）。各种桁架由于其腹杆布置的不同，在相同荷载条件下其经济性、内力分布及变形也是有很大的差别，本文将着重对上述三种平行弦桁架展开讨论。

图2 腹杆布置方式Fig.2 Web members arrangement

3 平行弦桁架实例分析

3.1 计算实例

下面将根据实际工程在常规生产条件最大荷载布置的情况下对各种形式的平行弦桁架进行安全性、经济型和适用性分析[2]。结合工程实际，通过计算分析得出各种桁架的优缺点，找出在常规使用情况下最合理的平行弦桁架形式。

以山东利华益8万t/a乙苯苯乙烯系统管带桁架为例：桁架跨度30 m，柱间距为6 m，基本风压为0.53 kPa/m2，地震烈度为7度，加速度为0.15 g，特征周期0.4 s。为保证桁架的通用性及可改造性，荷载计算时按照满铺φ300 mm×10 mm的充水管线考虑，每米宽度平均铺设2.5根，6 m宽的横梁上共铺设15根300 mm管线， 作用在横梁上的荷载按照均布荷载考虑。横梁间距按照通常做法：每3 m设置一道，计算后每个间隔3 m的横梁承受的荷载为11.25 kN/m，横梁传给桁架弦杆的节点荷载为33.75 kN，本例按照桁架高度2.1 m进行计算。以此实例为基础按照相同的荷载条件，相同的截面形式，借助PKPM计算软件把三种平行弦桁架的用料情况、内力结果和变形情况进行对比，得出各种桁架的优缺点。

3.2 内力分析

在上面的条件下经过PKPM计算得出各种桁架的内力结果如图3所示。

图3 应力简图Fig.3 Stress

通过内力对比可以看出在相同条件下各种架内力差别不大，三种桁架的内力分布均有如下特点：端部腹杆内力较大，越接近中部腹杆内力越小；上下弦杆的内力变化与此相反，越接近中部弦杆内力越大。同时可以看出人字形桁架和单式桁架用料相同，无竖杆式桁架的用料相对较少（省掉了竖杆部分） 。单纯从承载能力和经济性方面考虑无竖杆式桁架在这几种桁架中为优选方案。

3.3 变形分析

下面从变形情况对几种桁架进行对比，由于桁架承受水平力较小，本文仅把桁架节点的竖向位移作为对比指标。同样采用PKPM的计算结果（如图4所示）。

图4 变形简图Fig.4 Deformation

通过对比可以看出在相同条件下人字形桁架和无竖杆式桁架的节点位移基本一致，均小于单斜式桁架的节点位移。从变形和经济性方面考虑无竖杆式桁架在这几种桁架中为优选方案。

3.4 对比分析

通过3.2节及3.3的对比不难得出在相同的条件下无竖杆式平行弦桁架在受力、变形、经济方面具有一定的优势。但是由于本次的计算结果都是通过PKPM计算软件进行得出的，所有的杆件都是按照理想状态下单纯的拉、压构件进行计算的，而实际情况下受施工精度和桁架受力变形的影响节点处可能会出现弯矩导致桁架杆件不再是单纯的拉、压杆件[3]。此时竖杆的设置就可以增加节点的超静定次数，保证桁架某些杆件发生破坏时依旧能保持为几何不变体系，为桁架增加一道保障，提高了整个桁架的安全系数。无竖杆式桁架由于缺少竖杆就会在安全富余度上有所欠缺。

针对无竖杆式平行弦桁架的这种欠缺，同时考虑到实际使用过程中有些杆件可能会遭到意外的破坏，我们通过计算软件考虑了平行弦桁架部分根杆件断裂时对整体结构的影响[4]。通过计算得出在当平行弦桁架中部的某根斜腹杆或者上下弦杆遭到破坏时会对临近的构件产生比较大的影响，所以在对无竖杆式桁架进行设计时就需要考虑对上述部位进行截面上的加强，使安全性和经济性都能很好的满足使用要求。

4 结 论

通过本文的分析得知：在相同的荷载情况下无竖杆式桁架的经济性和防止变形能力都比较突出，应当优先考虑，但是由于缺少竖杆安全系数没有人字形桁架高。但是在荷载相对固定，工况简单的情况下可以考虑采取这种形式的桁架，同时应该适当提高端部斜腹杆和中部上下弦杆的富余量以增加整个桁架的安全度。

人字形桁架的综合性能比较突出，竖杆内力较小在进行杆件配置时可以适当减少其截面，以达到经济的目的。斜腹杆受力为拉、压杆交替分布设计时可根据其内力大小和稳定性要求进行截面配置。

单斜式桁架从经济性和变形上考虑在这三种桁架形式中均比较差同时承载力也很一般，不作为推荐的结构形式。

［1］ 李杨,候丽薇.浅论化工管廊结构设计[J].甘肃科技，2013,29(12)∶102-104.

［2］ 孟馨.纵梁式及桁架式管廊结构设计浅析[J].乙烯工业,2009,21.

［3］ 孙焕纯,王跃方,刘春良.桁架结构稳定分析的几何非线性欧拉稳定理论[J]. 计算力学学报,2007,24（4）∶539-543．

［4］ 水培君,古育平. 石化主管廊钢结构改造设计[J]. 化工设计, 2012, 22 (3)∶ 37-43.

Type Selection of the Steel Truss in Petrochemical Industry

DONG Hai-yin，YANG Yao-sen
（HQC Liaoning Company，Liaoning Fushun 113006 , China）

The steel truss is often used in petrochemical industry; the current common truss structure is parallel chord truss. According to the different arrangement of their web members, parallel chord truss can be divided into many forms, mainly including: monoclinic type, chevron type and the truss without vertical web member. In this paper, taking an actual project as an example, PKMP was used to calculate and make a contrast on economy, internal stress and deformation of three kinds of parallel chord trusses. The results show that, under the common load condition, the truss without vertical web member has more advantages on economy, internal stress and deformation, but its safety margin is small, we can solve the problem by increasing the section dimension of key parts.

Petrochemical industry; Steel truss; Parallel chord truss; Arrangement of web members; Type selection

TE 832

A

1671-0460（2015）09-2190-03

2015-06-28

董海印（1985-），男，辽宁抚顺人，工程师，2008毕业于中国石油大学（华东） 土木工程专业，研究方向：石油化工结构设计。E-mail：donghaiyin@hqcec.com，Tel：024-31957620。