張明輝， 王建偉

1 東華工程科技股份有限公司（230024） 2 河南科技學(xué)院園林學(xué)院（453003）

進入21世紀以來，國際原油價格大幅攀升，而我國資源的分布又屬于“富煤缺油少氣型”[1]，因此，我國煤化工行業(yè)進入了前所未有的大發(fā)展時期。隨著大型煤化工基地的發(fā)展，為了滿足現(xiàn)代工廠生產(chǎn)工藝的需要，某些基地的主廠房呈現(xiàn)出錯層多、樓面開洞多、工藝布置復(fù)雜、設(shè)備重震動大且在較高樓層運行等特點，對結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求越來越高。鑒于此，本文以某煤化工主廠房氣化框架為例，探討其框架設(shè)計的經(jīng)驗，以供同類項目主廠房框架設(shè)計做以參考。

1 工程概況

該氣化框架主廠房總長45.0m、總寬21.0m、總高度43.0 m。主要樓面布置及設(shè)備布置如下:第1層7.500m，有3臺各重45t的鎖斗；第3層15.500m，有3臺各重20t的檢修用推車;第4層22.500m,有3臺各重425t的氣化爐，22.500 m平面布置圖見圖1;第5層30.000m,有3臺各重32t的鎖斗沖洗罐;頂層43.000m,有1臺3t電動葫蘆。本工程分別在東西兩側(cè)設(shè)樓梯各一個，同時在東側(cè)設(shè)消防電梯一部。

圖1 22.500m平面圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案選擇

本工程主要設(shè)備為3臺氣化爐，單臺氣化爐操作重425 t，凈重100t，且需要安裝于第4層22.500m處。本工程樓層豎向布置及設(shè)備布置見圖2。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計方案選擇時，需要重點考慮選擇哪種結(jié)構(gòu)作為氣化爐支撐體及氣化爐的吊裝問題。根據(jù)本工程特點，經(jīng)過專家討論，為確保氣化爐安全運行,氣化爐承重結(jié)構(gòu)即第4層22.500m平面以下采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。同時綜合考慮氣化爐吊裝的經(jīng)濟性、安全性、工程進度等多方面因素，最后提出三種方案。

方案一:結(jié)構(gòu)型式選為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，選擇頂層43.000m鋼筋混凝土梁用于氣化爐吊裝,待本工程主體施工完畢，混凝土養(yǎng)護至設(shè)計強度后，利用卷揚機和滑輪組，借用框架主體、頂層43.000m鋼筋混凝土梁及埋置于設(shè)定位置的錨點，將氣化爐吊裝至第4層22.500m平面，然后將氣化爐安裝定位。

方案二:上部主要承重結(jié)構(gòu)即第4層22.500m平面以下采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，22.500～43.000m采用鋼結(jié)構(gòu)，待第4層22.500m以下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工完畢，混凝土養(yǎng)護至設(shè)計強度后，采用2000t吊車將氣化爐吊裝至第4層22.500m平面，先將氣化爐安裝定位，然后施工上部鋼結(jié)構(gòu)。

方案三:本工程結(jié)構(gòu)型式選為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),待第4層22.500m以下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工完畢,混凝土養(yǎng)護至設(shè)計強度后,采用2000t吊車將氣化爐吊至第4層22.500m平面,先將氣化爐安裝定位，然后施工22.500～43.000m鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

無論采用那種方案進行設(shè)計，在施工時施工單位必須制定更詳細的氣化爐吊裝方案，確保設(shè)備吊裝安全。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計方案比選時,設(shè)計者重點從主體結(jié)構(gòu)造價、吊裝費用、施工總工期這三個方面進行方案比較。

方案二的優(yōu)點是施工速度快，但是由于方案二中22.500～43.000m采用鋼結(jié)構(gòu)，用鋼量較大，且鋼材價格較高，造成方案二主體結(jié)構(gòu)造價最高，不符合經(jīng)濟性要求。

方案三比較經(jīng)濟,但是方案三所需施工總工期最長,且在氣化爐安裝完成后再施工22.500～43.000m鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，不利于重要設(shè)備保護。

相比之下，方案一主體結(jié)構(gòu)造價最低，同時方案一是在主體結(jié)構(gòu)施工完成后，再吊裝氣化爐,有利于重要設(shè)備保護；而且方案一是利用卷揚機和滑輪組,借用框架主體、頂層43.000 m鋼筋混凝土梁及埋置于設(shè)定位置的錨點，吊裝氣化爐，可以大大節(jié)約吊裝費用；最重要的是，如果重要設(shè)備氣化爐因廠家原因或者運輸問題不能按時到貨，方案二和方案三，都會影響主體結(jié)構(gòu)施工，使得總工期受到設(shè)備到貨時間制約，而方案一是在主體結(jié)構(gòu)施工完成后，再吊裝氣化爐,有效避免了設(shè)備到貨對施工總工期的不利影響。三種方案綜合比較可見方案一最優(yōu)，故選擇方案一作為本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。中國建筑科學(xué)研究院編制的結(jié)構(gòu)計算軟件PKPM系列軟件(SATWE)，隨著程序的不斷完善，在輸入和運行上都有了極大的改進，并且經(jīng)過實際工程檢驗，運用該程序計算出來的配筋結(jié)果準確性較高，可以有效地滿足結(jié)構(gòu)安全性的要求，故本工程選取PKPM2008版軟件進行空間整體建模分析計算，并進行中國規(guī)范檢驗。在計算模型分析時分別按照氣化爐吊裝和正常運行兩種工況進行程序分析計算,然后取最不利結(jié)果進行施工圖設(shè)計。

圖2 主廠房剖面圖

3 結(jié)構(gòu)建模與分析

3.1 計算參數(shù)

本工程所在場地的地震基本烈度為7度,設(shè)計基本地震加速度為0.10g，氣化框架設(shè)計基準期為50年，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1，建筑場地類別為II類，場地屬抗震有利地段，地面粗糙度為B類，基本風(fēng)壓為0.65kN/m2，基本雪壓為 0.35kN/m2。

3.2 抗震等級

根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標準》[2]第7.2條分析，本工程抗震設(shè)防類別應(yīng)劃為乙類；根據(jù)《高層間準凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]（以下簡稱《高規(guī)》）第4.8條分析，本工程房屋高度大于30m,且本工程為乙類設(shè)防,故本工程抗震等級為一級。

3.3 陣型數(shù)選取及柱計算長度系數(shù)確定

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[4]第5.2.2條條文說明分析，有效質(zhì)量數(shù)是判定結(jié)構(gòu)陣型數(shù)取得夠不夠的重要指標,也是地震作用夠不夠的重要指標。當有效質(zhì)量數(shù)大于90%時,表示陣型數(shù)、地震作用滿足規(guī)范要求。反之應(yīng)增加計算的陣型數(shù)，否則按此地震作用設(shè)計的結(jié)構(gòu)將不存在安全性。本工程結(jié)構(gòu)計算陣型數(shù)取15，經(jīng)程序計算，滿足規(guī)范要求。在計算模型分析時，經(jīng)過設(shè)計核算，部分框架柱水平荷載產(chǎn)生的彎矩設(shè)計值占總彎矩設(shè)計值的75%以上,框架柱計算長度系數(shù)計算應(yīng)執(zhí)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[5]第7.3.11-3條，所以程序計算時應(yīng)選“混凝土柱計算長度系數(shù)計算執(zhí)行混凝土規(guī)范第7.3.11-3條”。

3.4 規(guī)則性判定、抗震變形驗算及軸壓比控制

根據(jù)《高規(guī)》第4.3和4.4條分析，本工程屬于平面和立面均不規(guī)則結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)階段我國抗震設(shè)防思想是:“三水準的設(shè)防目標”和為實現(xiàn)這個目標而采取的“兩階段設(shè)計步驟”。本工程主廠房在進行空間整體建模分析計算時,中震作用下采用彈性反應(yīng)譜法進行內(nèi)力計算,并考慮雙向地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響，按彈性方法計算的樓層層間最大位移與層高之比Δu/h滿足《高規(guī)》第4.6.3條要求；大震作用時采用彈塑性時程分析，結(jié)構(gòu)薄弱層的層間彈塑性位移滿足《高規(guī)》第4.6.5條要求,說明該框架結(jié)構(gòu)布置及剛度分布能很好滿足結(jié)構(gòu)抗震要求。軸壓比是控制框架柱截面延性性能的主要指標，控制軸壓比限值的目的是要求框架柱截面達到具有較好延性性能的大偏壓延性破壞狀態(tài),以防止小偏壓狀態(tài)的脆性破壞，從而保證框架結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下即使超出彈性極限仍具有足夠大的彈塑性極限變形能力（即延性和耗能能力），實現(xiàn)“大震不倒”的設(shè)計目標。根據(jù)《高規(guī)》第6.4.2條要求，本工程框架柱的軸壓比不大于0.80，短柱軸壓比不大于0.75，經(jīng)過PKPM計算分析，軸壓比滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

煤化工項目主廠房氣化框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個比較復(fù)雜的過程。因其結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜、平面和豎向布置均不規(guī)則、錯層多、樓面開洞多、樓面大型設(shè)備又為振動設(shè)備等特點，且該類項目主廠房在設(shè)計時必須考慮設(shè)備吊裝等因素，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在設(shè)計時必須予以足夠重視,對其設(shè)計方案的選擇、計算模型的選擇、設(shè)計參數(shù)的選擇及計算結(jié)果，都應(yīng)作出認真的分析判斷，從而做出相對比較安全、經(jīng)濟、合理的設(shè)計方案。

[1]錢學(xué)文.中國與中東的能源合作[J].國際觀察,2008(1):45-50.

[2]GB50223-2008,建筑工程抗震設(shè)防分類標準[S].

[3]JGJ3-2002J186-2002,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[4]GB50011-2001（2008年版）,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[5]GB50010-2002,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].