地面火炬筒体支撑立柱的结构受力分析计算

2020-07-14营莹吴敏

山西建筑 2020年14期

营莹吴敏

(中国船舶重工集团有限公司第七一一研究所，上海 201108)

1 概述

火炬排放装置是用来搜集和处理石油化工生产过程中产生的废气的，是炼化企业安全排放系统的一个重要组成部分。按类型大体可分为地面火炬和高架火炬。随着近些年炼油装备制造技术的发展，炼化企业采用的火炬系统也在发生着变化，从原来最初普遍应用的高架火炬到如今地面火炬和高架火炬的同步应用(如图1所示)。相对高架火炬存在的安全稳定性差，检修困难，安全防护距离长等问题，国内已经开始使用地面火炬设施。相对高架火炬，地面火炬具有占地面积小，燃尽率高，检修方便，无光污染，噪声低，热辐射小等特性，越来越多的得到了推广应用[1,2]。

在石化行业很多的项目里，有很多地面火炬，在地面火炬的结构设计中常会遇到一个问题：设备工艺提资是整个火炬筒体的力，而做结构设计时，要对支撑筒体的立柱进行配筋，那如何把整体的火炬体受力分配到各个立柱，继而对立柱进行配筋计算，是需要重点考虑的问题。本文针对地面火炬结构做了MIDAS/GEN的数值模拟和理论计算，并对两个结果进行比较分析。

2 工程概况及地质情况

以某石化厂的地面火炬为例，筒体高28 m，设备工艺根据进气量，设置了12根，截面为500×500混凝土立柱支撑，立柱高4 m，在筒体的外围，有一圈标高7.5 m的混凝土防风墙。图2为项目的立面图。平面布置图如图3所示。

地面火炬立柱受力分析：

垂直力：

筒体重量+保温重量=1 200 kN。

水平推力：

风载荷+水平地震载荷=275 kN。

弯矩(相对立柱顶面EL4.000):

风弯矩+地震弯矩=4 725 kN·m。

3 Midas/Gen数值模型的建立

3.1 基本假定及边界条件

为简化计算规模，保证运算结果的收敛，做出基本假定如下：

1)立柱的顶板，做刚性约束，刚性传力，传递筒体上的荷载。

2)筒体和钢筋混凝土立柱按线弹性材料考虑，各向同性。

3)立柱柱底的边界条件，选择D-ALL,R-ALL模型。

4)输入荷载假定是荷载组合后的结果，减少由计算机的包络和手算荷载组合的计算过程。

3.2 模型结构设计参数

对于这种不规则结构，采用MIDAS[3-6]的GEN建模，模型如下：

输入材料特性—建立单元模型—输入边界条件—添加荷载—荷载组合—运行—设计—查看结果—内力—查看反力。图4为根据平面布置和荷载布置建立的计算模型简图，上部筒体的力通过刚性连接布置，施加在一个点上。

图5为运行后查看的内力结果，反力简图，△表示反力内力最大的点。图6为运行后查看的反力内力最小的点。

3.3 模拟结果

通过以上模拟计算，可以得出如下结果：

最大反力：

Fmax=273.5 kN;

Fmin=-63.5 kN。

正值表示压力，负值表示拉力。在对柱配筋的时候要分别做受压分析和受拉分析，取最大的配筋结果。

4 理论计算

受力简图如图7所示，单位为kN。

按照《建筑地基基础设计规范》8.5.4[7]和《建筑桩基技术规范》5.1[8]，对立柱顶，筒体的受力包括竖向力和水平力按照以下公式分配：

1)竖向力。

偏心荷载竖向力作用下分配到每个立柱上的竖向力按力学公式计算:

其中,N为竖向力荷载代表值，包括筒体自重等材料自重；n为立柱的个数；Mx为作用于柱顶的x方向的弯矩；My为作用于柱顶的y方向的弯矩；x为立柱的中心到火炬筒体形心的x向的距离；y为立柱的中心到火炬筒体形心的y向的距离；

2)水平力。

其中，V为水平力荷载代表值，包括风荷载和水平地震荷载；n为立柱的个数。

假设1：先以圆心为中心，

Fmax=267.67 kN；

Fmin=-67.67 kN。

假设2：若以圆边缘为中心，最远处点：

Fmax=100+113.8=213.8 kN;

Fmin=-13.8 kN。

5 结果分析

理论计算的结果是：

Fmax=273.5 kN;

Fmin= -63.5 kN。

对软件计算跟理论结果进行对比计算后得到，最大值相差2.1%，最小值相差6.2%，误差在工程计算可接受范围之内。

6 结语

通过以上软件计算和理论计算的对比，将软件计算和理论速算的结果进行了分析对比，最大受力偏差2.1%，最小受力偏差6.2%，可以进行相互替代。本文结论可以作为地面火炬结构设计案例参考，在遇到此类问题时可通过以上两种方式处理，得出柱脚反力后，就可以对立柱进行拉、压、弯、剪受力分析，进而对立柱及以下基础，进行配筋等结构设计。