型钢混凝土在石油化工结构设计中的应用

O谈杜勇（中国石化工程建设有限公司 北京 100101）

型钢混凝土在石油化工结构设计中的应用

O谈杜勇
（中国石化工程建设有限公司 北京 100101）

该文结合工程实际，介绍了型钢混凝土结构在焦炭塔框架设计中的应用，包括设计思路及计算结果等，并展望了型钢混凝土在石化结构设计中的前景。

型钢混凝土；焦炭塔框架；组合结构

1.前言

型钢混凝土组合结构(Steel Reinforced Concrete)是指在混凝土中主要配置型钢(轧制或焊接成型)，并且配有一定的受力钢筋和构造钢筋的结构。型钢混凝土结构构件的内部型钢与外包混凝土形成整体、共同受力，其受力性能优于这两种结构的简单叠加。本文以某炼油工程焦炭塔框架为例，简单介绍型钢混凝土在石油化工框架结构设计中的应用。

2.型钢混凝土结构基本设计方法

型钢混凝土构件的设计方法，反映在设计规范和规程上，有冶金部的YB9082-2006《钢骨混凝土结构设计规程》和建设部的JGJ138-2001《型钢混凝土组合结构技术规程》。

《钢骨混凝土结构设计规程》改进自叠加法，构件的承载力计算以及刚度、裂缝校核，均采用叠加原理，原理清晰、计算过程相对简单。

《型钢混凝土组合结构技术规程》采用了钢筋混凝土方法，构件的承载力计算采用平截面假定，钢骨与混凝土变形协调，通过构件内力平衡方程求解构件承载力。其计算原理与构件实际受力情况相近，设计结果相对较为准确。本文选择钢筋混凝土方法为本次设计的主要计算方法。

3.工程设计实例简介

(1)工程概况

焦炭塔框架是石油化工延迟焦化装置中的核心构筑物，其设备操作重量大、设备支座位置较高、井架总高度较高，一般附带有出焦溜槽、楼（电）梯间等，整体结构体系复杂，设计计算难度较大。

某炼油工程延迟焦化装置焦炭塔框架，为两塔结构。焦炭塔单塔自重430t，塔外径9690mm，单塔最大高度41．3m。水焦工况最大操作介质重3040t，满焦工况焦炭量为1150t。

工程所在场地的基本风压（地面上10m处）：0．5kN/ m2；地面粗糙度类别：B类。抗震设防烈度：7度；工程场地设计基本地震加速度值：0．15g；设计地震分组：第一组。

该框架除正常设计外，上游专业在结构空间利用上提出了其他一些要求：主要构件截面希望尽量小，以满足整体平面布置的需要；塔体下方需要一定空间，用于设置一台冷焦水过滤器及其附属操作框架；塔体下方框架范围内需要设置若干全封闭设备操作房。

(2)结构型式选择

该焦炭塔框架设备支承部分是较为典型的塔型设备基础，为两塔板式框架联合塔基础，共三层，高27m，纵向连续两跨12．5x2m，横向为单跨12．5m；出焦井架标高自27m 至117m，为中心支撑钢结构框架。

(3)计算模型

设计采用通用有限元分析软件SAP2000。焦炭塔框架属于高耸组合结构，为尽可能模拟结构的实际情况，整体建模分析时充分考虑了下部混凝土框架、上部钢结构井架及塔体共同作用，其总体布置如下图1所示：

模型中单元选择如下：混凝土框架柱、梁及井架钢结构梁、柱、支撑均以杆单元模拟；混凝土顶板采用厚壳单元模拟；设备塔体采用薄壳单元模拟。

图1 焦炭塔框架总体模型

(4)荷载组合

根据SH/T3079-2012《石油化工焦炭塔框架设计规范》的相关条文，焦炭塔框架设计应按承载能力极限状态最不利的效应组合进行设计。对两塔结构，其最不利效应组合采用以下几组：

正常操作：1．2永久荷载+1．0x1．3x（介质荷载+活荷载）+1．4x风荷载；停产前：1．2永久荷载+1．0x1．3x（介质荷载+活荷载）+1．4x风荷载；停产检修：1．2永久荷载+1．0x1．3x活荷载+1．4x风荷载；地震作用：1．2x[永久荷载+0．5x（介质荷载+活荷载）]+1．3x水平地震荷载+1．4x0．2x风荷载。

(5)计算结果及截面设计

①框架柱

设计初期假定其他条件完全相同的情况下，为确定框架柱截面尺寸，设计选取两种框架柱截面尺寸即以往工程经验采用的2500mmx2500mm的大柱与使用型钢混凝土结构的1800mmx1800mm的小柱，通过计算对比选取适用于本结构的合理尺寸。其他条件相同情况下，大柱、小柱两套模型分别计算，因框架柱截面尺寸不同引起的结构刚度差别很大，导致弹性计算所得结果周期、内力及变形结果差别也很大。地震组合工况对设计结果起控制作用，结构刚度变化对内力、变形的计算结果的影响比较明显。小柱模型整体刚度小，柔性增加，相同风载或地震作用条件下结构内力较小，有利于构件截面设计。

在两种模型计算得到的初步结果均满足规范要求的前提下，选择较小截面的柱有利于增加结构柔性，增强结构的延性和耗能能力，从而改善结构的抗风、抗震性能。较小截面框架柱也有利于设备、管线的整体布置。因此初步确定选用1800mmx1800mm的框架柱。弹性设计阶段框架柱为地震组合控制，据此对该柱按型钢混凝土构件分别进行截面设计。按型钢混凝土构件进行截面设计，柱内通长设置十字型钢，型钢截面1400x600x24x32，按《型钢混凝土组合结构技术规程》进行配筋计算。柱截面四角配置了四个小芯柱，用以加强截面抗剪构造；型钢翼缘外侧通长设置了栓钉，以增强型钢翼缘与混凝土之间的剪力传递性能，其截面见图2。

图2 型钢柱、型钢梁截面图

②框架梁及顶板

框架梁由于工艺设计需要，标高相对较为确定，调整余地较小。梁截面取1500mmx2500mm，适当增加梁截面刚度可以控制框架柱的反弯点位置，以此达到调整柱截面设计弯矩的目的，同时这也有利于减小筏板基础设计时的内力取值。

框架梁内设H型钢，与框架柱内型钢柱组成内框架体系，以提高结构整体性。标高8m及19m框架梁梁型钢截面H2100x600x25x25，已知内力设计值的情况下按《型钢混凝土组合结构技术规程》进行配筋计算。截面见图2。

框架顶板为设备支座层，直接承受塔体荷载。顶板厚2500mm，中心大开洞直径D=8400mm，中间设置了型钢斜梁（截面H2100x500x30x30），利用SAP2000结果提取内力计算厚板配筋。斜梁的设置有利于改善顶板受力情况，简化传力路线，其平面见图3。

图3 顶层型钢梁平面布置图

4.设计总结及展望

通过本次工程设计实践及后续的施工反馈，型钢混凝土结构在焦炭塔框架等石化结构的设计应用中有以下几方面经验：

(1)型钢混凝土结构利用型钢与混凝土共同受力的特点，充分发挥了混凝土的抗压性能与型钢的抗弯性能，较大地提高了延性和耗能性。

(2)相同外荷载条件下，型钢混凝土构件的截面尺寸可以设计的更小，结构的空间利用率更高，有利于灵活布置设备及其他设施，以满足实际生产的需要。

(3)型钢采用工厂加工，利于控制质量和进度。

(4)石化行业中型钢混凝土结构应用尚较少，考虑到焦炭塔框架结构的重要性，设计计算过程仍较为保守。今后应在保证结构安全性的前提下，优化结构方案，提高结构设计的经济性。

型钢混凝土结构在焦炭塔框架设计中的应用是一次新的尝试。型钢混凝土结构的设计使用，应着重发挥其受力优点，通过合理设计构件并加以优化，提高型钢混凝土结构的适用性和经济性，使其在石油化工大型结构设计中获得更多的应用。

[1]叶列平,方鄂华.钢骨混凝土构件的受力性能研究综述[J].土木工程学报,2000,10:1-12.

[2]钢与混凝土组合结构[M].赵鸿铁.北京,科学出版社,2001.

[3]石油化工焦炭塔框架设计规范SH/T3079-2012[S].中华人民共和国石油化工行业标准，2012.

[4]李奉阁,赵根田.钢骨混凝土组合框架抗震性能研究[J].工业建筑, 2010,40(9):111-114.

[5]白国良,秦福华.型钢钢筋混凝土原理与设计[M].上海,上海科学技术出版社,2000.

Application of Steel Reinforced Concrete inPetrochemical Structure Design

Tan Duyong

(Sinopec Engineering Incorporation Beijing 100101)

This paper introduces the application of SRC structure in the designing of the framework of coke tower, including overall design ideas and calculation results. This paper also summarizes the experience of this project, and looks forward to the prospect of SRC structure in petrochemical structure design.

SRC；Frame Structure of Coke Column；Composite Structure

T

A

谈杜勇（1980～），男，中国石化工程建设有限公司，研究方向：石油化工结构设计。