压缩机厂房内管线支架基础碰撞问题解析

董海印

摘      要：主要阐述通过设置刚性地坪的方法增加对压缩机厂房内管线支架基础柱墩的侧向约束，减少柱顶水平力对基础的影响，从而减小支架基础的尺寸，避免基础之间的碰撞，合理地解决碰撞问题。

关  键  词：压缩机厂房;管线支架基础;碰撞;刚性地坪;侧向约束

中图分类号：TU318       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）06-1245-04

Analysis on Foundation Collision of Pipeline Support in Compressor Plant

DONG Hai-yin

（CNPC Northeast Refining&Chemical Engineering Co.， Ltd.， Shenyang Company， Shenyang Liaoning 110167， China）

Abstract： Compressor is very important equipment in refinery processes， so compressor plant plays a key role in refining units. Compressor plant is covered by a variety of concrete， the foundations of pipeline support often collide with others. In the article， how to set a rigid floor to increase the lateral restraint on the foundation pier to reduce the impact of the horizontal force on the top of the column was investigated， in order to reduce the size of the support foundation， and avoid the collision between the foundations to reasonably solve the collision problem.

Key words： Compressor plant; Foundation of line bracket; Collision; Rigid floor; Lateral restrain

1  現状及解析

在炼油装置中压缩机属于大型动力设备，压缩机厂房在整个工艺装置中起着重要的作用，同时也是结构专业设计中的重点和难点。厂房内混凝土基础通常包含以下两大类。

1）前期设计的基础：大型压缩机设备基础，厂房柱基础，厂房二层操作平台基础，分液罐设备基础，油站基础，冷却器基础。其特点是数量大，种类多，底板尺寸大，地基类型通常采用桩基、天然地基或复合地基。

2）后期设计的基础：弹簧支架、承重支架、吊架、水平导向架基础（本文统称为管线支架）。由于支架高度不等，形式也不统一而且很多支架由水平力起控制作用，导致支架基础形状规则性差，数量大，基础大小及埋深均不能统一，地基类型通常为天然地基、复合地基。

通常情况下需要设置支架的管道均为应力管道、脉动计算管线或大直径管道，需要单独委托设备制造厂家或应力计算单位进行精准的核算，所以当管线支吊架的设计资料和数据返回给设计者时，前期的各种钢筋混凝土厂房基础、压缩机基础都已设计并施工完毕，如图1所示。

在压缩机厂房布满各种基础的狭小空间内再安插大量的支、吊架基础，同时还要满足管道专业位置相对固定的要求几乎是不可能的事。目前常用的方法是深、浅埋和基础整浇处理。然而根据工艺技术要求压缩机厂房内震动设备和震动管线比较多，根据《石油化工压缩机基础设计规范》（SH/T 3091-2012）4.1.5条^[1] “压缩机基础应与厂房及其他构筑物基础分开，机器基础的振动对临近的基础产生不利影响时应调整基础平面或者采取有效隔振措施”，所以管道支架基础不宜与压缩机基础或其他振动设备基础整浇，且基础整浇后无法进行精确的结构计算和应力分析，无法预估基础存在的潜在风险。为解决此问题，针对支、吊架水平力较大、垂直荷载相对较小的特点^[2]，结合工程实际，尝试采用设置刚性地坪对支架及支架基础提供有效的侧向支撑，减少由支架顶水平力产生的弯矩向基地的传递，降低基地弯矩，从而减小基础底板的尺寸，避免基础的碰撞。

2  工程实例分析

下面结合1个工程实例来探讨此方法的可行性。中化泉州1 200万t·a^-1炼油项目压缩机厂房，建厂地区地震烈度为7度，设计基本地震加速度值0.15 g，设计地震分组为第二组，场地土类别为Ⅱ类，地面粗糙度类别为A类，基本风压值（10 m高度）0.82 kN·m^-2。当脉动计算的厂家返回支、吊架荷载数据资料时，厂房基础、二层平台基础、压缩机基础已经设计并施工完毕。管道专业根据脉动计算结果提供的管道支架条件图（其中一种）如图2所示。

这种支架高度大，水平荷载大而垂直荷载相对较小，主要以水平推力为主。根据悬臂构架静力分析的弯矩图可知，弯矩越往下越大，传至基础底部时弯矩已远远大于垂直荷载。根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）5.2.1条^[3]，当基础底面形状为矩形且偏心距e>b/6时，会造成基础底很大的偏心，基础零应力区明显，处理不好很容易发生基础的倾覆。根据上述的情况进行分析，地基承载力特征值取地质勘察报告提供的数据：f_a=105 kPa，并按照15%的基础零应力区控制标准在PKPM中支架模块建模、加荷载，计算得到基础底板尺寸（1∶1）为2.2 m×2.2 m（不设置刚性地坪，不打桩）。把附加的几个支架的基础落在基础平面布置图中，结果如图3所示。基础底板尺寸过大，与设备基础、厂房柱基础碰撞严重，导致无法施工。

3  采用刚性地坪的方案进行处理

根据上述的分析和计算，支架基础尺寸过大导致其与厂房内其他基础碰撞严重，无法进行正常的设计和施工。现尝试通过设置刚性地面的方法进行优化。该项目建筑专业设计的室内地面为100 mm厚不发火素混凝土地面，混凝土强度等级为C25。从现场实际情况和结构的重要性等级及经济性原则考虑在整个厂房区域内满铺设置双向双层钢筋网片不太实际，太浪费而且没有必要。现仅对基础柱墩四周不小于400 mm的范围进行地面加厚，厚度初步定为400 mm，对加厚区域的地面按照楼板的要求配置双层双向的钢筋网片，直径不小于10 mm，间距不大于200 mm。通过这一加固措施可以使柱墩周围的一定区域形成一个具有很大刚性的“板”，该“板”的刚性远远大于柱墩的侧移刚度，可以视为无限刚^[3]。刚性板对柱墩具有良好的侧向约束作用，相当于柱墩在地面位置处附加了一个滑动支座，很好地吸收了柱顶水平力产生的弯矩，阻止其继续向下面的基础传递。具体的简化模型及刚性地坪做法如图4所示。

考虑到现场实际施工与理论的差距，按照刚性地坪吸收60%弯矩来计算，同样按照15%的基础零应力区控制标准在PKPM中支架模块建模计算得到基础底板尺寸（1∶1）为1.4 m×1.4 m，基础尺寸远远小于未设置刚性地坪时的尺寸。调整后基础的碰撞问题基本解决，再通过基础的深、浅埋处理完全可以避免基础间的碰撞。如果进一步的优化采用矩形基础，扩大基础底板主要弯矩作用方向的截面抵抗矩可以更好地减小基础底板尺寸，进一步地解决基础碰撞问题。对本项目经过上述方案的处理后，经过对厂房使用情况的回访，证实该方案通过了现场实际工程的检验，该区域性的刚性地坪对基础柱墩可以起到很好的约束作用，保证了柱墩及上部钢结构支架的稳定性，同时可以在很大程度上减少基础的底板尺寸，解决了该压缩机厂房内基础碰撞严重的问题。

为了使刚性地坪可以发挥更好的作用，结构专业可以在管道规划的前期阶段进行提前的介入，参与到管道规划设计中，提出有利于结构设计的管道规划方案。管道支架虽然看似杂乱无章、高低不等，其实也有一定的规律可言：支架是顺着管道进行分布的，每一条管线上都分布着若干个大小不一的支架，也就是说某几个特定的管线支架都是为这一条管道服务的，改变了管道的路线也就改变了支架的位置，同时只要能达到对管道预想的约束作用，部分支架的位置是可以在管道路线范围内小幅變动的。这种特定的情况就为结构专业提前介入管道规划提供了可能，结构可以根据场地情况给管道专业提供一个对自己专业有利的支架布置方案并在此方案的基础上与管道专业进行协商和修改。这个过程需要两个专业来回多次的协商和调整，同时对专业设计人员的设计经验有很高的要求，提出的方案必须是同时考虑两个专业都总体可行的。规划的总体原则是保障管道和支架的正常实施，同时为保证刚性地坪的整体性支架尽量布置在相对集中的矩形区域内，可以使零散的支架基础连成片，更加有利于刚性地坪形成整体并且更好地发挥地坪的侧向约束作用。

4  刚性地坪的施工

刚性地坪的施工是本方案的关键之一，本方案利用的主要是地坪的侧向刚度而不是竖直方向的刚度，所以设计时必须要保证地坪良好的侧向刚度。保证地坪刚度的首要条件就是保证厂房内地坪的整体性，而作为大面积的工业厂房地坪现实中最常见的问题就是地面的开裂或者起壳，所以采取切实可靠的施工措施和方法防止压缩机厂房地坪开裂，保证其整体性就显得尤为重要。

造成压缩机厂房地坪出现质量问题的原因主要有以下几项。

1）厂房混凝土地面设计厚度较薄并且没有构造配筋进行加强，混凝土地面基层局部出现沉降时可能造成混凝土地面的拉伸裂缝。

2）地坪混凝土浇筑时厂房内好多露出地面的设备基础及厂房柱柱墩已经浇筑完毕，刚性地坪浇筑时没有将混凝土地面与已有结构之间的连接进行有效的处理，造成后浇筑的刚性地面与现有结构之间形成了刚性连接，限制了混凝土地面的伸缩及沉降，从而造成了混凝土的开裂。

3）混凝土地面浇筑时未设置合理的伸缩缝，大面积混凝土自身的收缩而产生的拉力造成在地面结构薄弱处的形成收缩裂缝，严重的地方形成了地面通缝。

为处理厂房地坪的质量问题，保证地坪的整体性，需要在设计及施工过程中做好诸多细节问题，具体操作时需要做好以下几点来保证地坪的完整性及侧向刚度。

1）与建筑专业协商，设置合理的厂房地坪厚度。正常情况下厂房地面是由建筑专业单独来确定的，其规划地坪厚度和做法时并没有考虑支架基础的影响，所以结构专业应提前与建筑专业做好沟通，提出自己专业的需求，保证地面的厚度和整体刚度，与此同时地坪下基层需要分层压实防止出现局部沉降。

2）刚性地坪与已经浇筑完毕的现有混凝土基础或者柱墩之间设置软连接，采用柔性材料进行隔离、填充。如果支架基础距离地坪的边界比较近，还需要对该处的地坪进行特殊的加强处理（比如加大配筋的数量和范围）防止地坪局部的开裂。