水培君同濟大學(xué) 上海 200092

古育平上海寰球石油化學(xué)工程有限公司 上海 200032

某石化廠主管廊鋼結(jié)構(gòu)改造設(shè)計

水培君*同濟大學(xué) 上海 200092

古育平上海寰球石油化學(xué)工程有限公司 上海 200032

實例介紹某石化廠隨著產(chǎn)能提升，對管廊進行加層加固的改造設(shè)計，并對施工中可能遇到的問題提出設(shè)計要求。

管廊改造設(shè)計

管架、管廊是化工區(qū)常見的工業(yè)構(gòu)筑物，支撐化工管道的支架稱之為管架，而在較長的距離范圍內(nèi)連續(xù)的管架稱為管廊。隨著擴大產(chǎn)能的要求，某石化環(huán)氧乙烷/乙二醇裝置需進行東西向主管廊的加層改造。

工程設(shè)計于1985年底，管架長180m，天然地基，獨立基礎(chǔ)，上部為鋼結(jié)構(gòu)，跨度12m，柱間距為9m，標(biāo)準(zhǔn)跨為二層，局部三層架空冷器。本次改造擬在原有管架上新增一層，同時對原有管架的管線作適當(dāng)調(diào)整。

1 原有設(shè)計

原設(shè)計圖紙包括管廊結(jié)構(gòu)布置圖及鋼結(jié)構(gòu)工廠制作圖，結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)均嚴(yán)格按照上世紀(jì)80年代規(guī)范條款。其中，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料等級為I級鋼(A3F)，相當(dāng)于Q235F鋼材等級，基礎(chǔ)混凝土采用#150標(biāo)號混凝土，相當(dāng)于C13標(biāo)號混凝土，而原鋼筋等級一級鋼A3F、二級鋼16Mn對應(yīng)為HPB235及HRB300。原管廊5m和7.5m為管道支承層，支承管道的鋼結(jié)構(gòu)橫梁由軸向桁架連接，傳力至鋼柱及基礎(chǔ)。在E58.5～E45.7軸及E119.5～E131.5軸處12m設(shè)置鋼平臺及空冷機支架，并在這兩處軸線處設(shè)置垂直支承作為固定跨，用來承受由管道熱脹冷縮等原因產(chǎn)生的水平力。

經(jīng)過多次管廊現(xiàn)場核對原設(shè)計圖，發(fā)現(xiàn)由于設(shè)計年代久遠(yuǎn)加之隨著產(chǎn)能的提升，業(yè)主在將近30年的結(jié)構(gòu)使用年限之中進行多次改造，一旦需要新添加管道便在管廊上設(shè)支架，導(dǎo)致與原有設(shè)計相差較大。

2 現(xiàn)場實際情況

經(jīng)過多次現(xiàn)場實地勘察并結(jié)合業(yè)主委托有關(guān)單位所開具的檢測鑒定報告，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有管廊鋼結(jié)構(gòu)存在如下問題:

(1)結(jié)構(gòu)使用年限較長，維修涂裝周期較長，廠區(qū)生產(chǎn)產(chǎn)品有一定的酸性介質(zhì)，使現(xiàn)場鋼構(gòu)件存在涂層起皮、銹蝕現(xiàn)象，影響其耐久性。

(2)業(yè)主自行添加臨時或永久管線，這些管線走向遇到水平支撐等鋼構(gòu)件時便自行切割構(gòu)件或節(jié)點板，人為對結(jié)構(gòu)造成了損壞。有部分鋼柱在前期增加管線時便已經(jīng)進行貼板加固，這些貼板加固的構(gòu)件現(xiàn)場銹蝕情況非常嚴(yán)重。

(3)參考原工藝管道圖發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場管線布置走向與原設(shè)計存在差異，造成原管廊結(jié)構(gòu)受力情況計算模型與實際不符，故不能按照原管道設(shè)計圖而必須以現(xiàn)場實際管道情況來統(tǒng)計荷載，再進行鋼構(gòu)件的計算。

(4)由檢測方南京工業(yè)大學(xué)采用《里氏硬度計現(xiàn)場檢測建筑鋼結(jié)構(gòu)鋼材抗拉強度技術(shù)規(guī)程》DGJ 32/TJ116－2011進行原鋼構(gòu)件強度檢測，報告顯示原鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本滿足Q235強度等級的要求，故設(shè)計時對原鋼結(jié)構(gòu)強度按現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范GB 50017－2003中抗拉、抗壓和抗彎設(shè)計值f= 215MPa來選用。

(5)由于長期腐蝕原因，對于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件有效截面積在原截面面積基礎(chǔ)上進行一定的折減，故在計算模型中凈截面系數(shù)取0.85進行結(jié)構(gòu)的承載能力設(shè)計。計算模型中的控制指標(biāo)按現(xiàn)行規(guī)范要求控制。

3 工藝管道改造

在整個改造過程中，工藝管道要求在12m增加一層管道支架以支撐標(biāo)高12m上下的管道，見圖1云線處。

圖1 工藝管道改造圖

3.1 結(jié)構(gòu)布置

為了與原有結(jié)構(gòu)的的設(shè)計風(fēng)格統(tǒng)一，參照原結(jié)構(gòu)布置圖，初步設(shè)計方案為在12m增加一層軋制H型鋼橫梁，其截面為HN 600×200×11×17，材料為Q235B，與鋼柱的連接方式為剛接。經(jīng)計算分析，這種加固方式滿足構(gòu)件強度及撓度運算，且節(jié)點制作相對簡單，鋼梁與鋼柱需要進行現(xiàn)場剖口焊接，在施工質(zhì)量優(yōu)良的前提下能夠滿足管廊加固的要求。在繪制了結(jié)構(gòu)施工圖后，協(xié)同管道專業(yè)進行現(xiàn)場放樣，在與管道專業(yè)核對的過程中發(fā)現(xiàn)，在12m標(biāo)高鋼架下需要新設(shè)的管道，加上保溫后的直徑較大，與新增的H型鋼梁碰撞，并且現(xiàn)場施工空間有限，進行梁柱剛性節(jié)點焊接施工難度較大，難以滿足設(shè)計要求。經(jīng)過方案討論，改為采用新增鋼梁下掛桁架的形式，見圖2。

通過計算，采用此形式能夠很好的控制結(jié)構(gòu)的撓度，工藝管道也能夠在桁架內(nèi)穿過，在結(jié)構(gòu)三維建模以后與工藝專業(yè)進行模型檢查時也有效地避免了管道的碰撞問題。新增桁架與原有鋼柱的連接方式為雙角鋼夾板螺栓連接，這種方式避免了在原結(jié)構(gòu)上焊接，并指明施工方施工時應(yīng)采用機械鉆孔方式，避免在改造的過程中對原有結(jié)構(gòu)造成人為二次破壞。

圖2 結(jié)構(gòu)立面布置圖

3.2 節(jié)點計算

在原管架上部增加桁架進行整體計算后，進行節(jié)點設(shè)計。對于柱腳節(jié)點參考原設(shè)計圖紙的資料表示為M27的Q235地腳錨栓，鋼柱柱腳的計算模型采用剛接柱腳，經(jīng)計算得:

柱底彎矩設(shè)計值M:200 kN·m。軸向壓力設(shè)計值N:140 kN。

圖3 柱腳詳圖

參考原設(shè)計圖，見圖3，柱腳底板幾何信息得:彎矩M作用方向長度L為650 mm，受拉側(cè)底板邊緣至受拉錨栓中心距離lt為65 mm，非彎矩作用方向長度B為700 mm。

柱底板計算:

其中，Aae為受拉側(cè)錨栓總有效面積，計算結(jié)果為459.4mm2。

圖4 底板受壓區(qū)長度計算圖

求受拉側(cè)地腳錨栓的總拉力:

Q235材質(zhì)地腳錨栓的fy為235MPa，屈服拉力為108kN，假定地腳螺栓超過了受拉承載力極限64.31kN而達(dá)到了其受拉屈服極限108kN，在這種工況時地腳螺栓退出了工作不能繼續(xù)承擔(dān)拉力，螺栓進入屈服階段但還未到達(dá)極限狀態(tài)，剛性柱腳的計算假定已經(jīng)不再適用，從而柱腳的計算模型變?yōu)榱算q接。經(jīng)計算鉸接柱腳模型狀態(tài)時上部結(jié)構(gòu)仍然可以滿足承載力設(shè)計要求。計算得出柱底剪力設(shè)計值為75kN，查表得單個M27螺栓的抗剪承載力即為75kN，所以柱腳仍可按原設(shè)計進行抗剪，故對原設(shè)計柱腳無需加固。

3.3 基礎(chǔ)設(shè)計

基礎(chǔ)部分原設(shè)計采用獨立式基礎(chǔ)，原勘察資料及此次擴建勘察資料確定未修正②層土持力層地基承載力為160kN，修正后可達(dá)200kN?；A(chǔ)布置見圖5。

圖5 基礎(chǔ)布置圖

在原設(shè)計圖紙中，臺階高寬比分別為:

一階:900/600=1.5，二階:800/600=1.33。

超過混凝土剛性基礎(chǔ)的寬高比限制，故不能認(rèn)為其為剛性基礎(chǔ)。

現(xiàn)假定只利用剛性基礎(chǔ)允許的寬高比來驗算承載力，基礎(chǔ)埋深2.5 m，基礎(chǔ)底面積為3.2 m×4 m，上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)的控制工況標(biāo)準(zhǔn)組合設(shè)計值為:

2.觀察方法?？芍苯尤庋塾^察攀附在水草上的蝦苗數(shù)量、大??；如肉眼不易觀察，可使用網(wǎng)眼較密的魚撈子伸入水草下方，輕輕往上撈，可重復(fù)幾次，選擇不同位置，重復(fù)上述操作。

此時最大地基反力為73kPa，小于地基承載力特征值。因為原基礎(chǔ)在只考慮剛性基礎(chǔ)部分的條件下其底面積已可滿足設(shè)計要求，則假定原基礎(chǔ)超過剛性基礎(chǔ)寬度的混凝土部分不計入計算，基礎(chǔ)按照剛性基礎(chǔ)來計算其底部鋼筋并無最小配筋率的要求，所以無需增加基礎(chǔ)底板配筋來滿足新規(guī)范對于基礎(chǔ)最小配筋率0.15%的要求。

4 加固措施

由于荷載增加，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件有效截面積長期受到腐蝕而減小，所以部分原有構(gòu)件應(yīng)加固，采取如下加固措施:

(1)對于長期腐蝕而造成結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p傷的構(gòu)件，在損傷處貼板加固，加固板可采用Q235B材質(zhì)，厚度可與原有構(gòu)件板厚一致。

(2)對于腐蝕造成構(gòu)件表面損害但沒有造成結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p傷的構(gòu)件，在腐蝕處先進行打磨拋光處理，再按照項目設(shè)計結(jié)構(gòu)總說明中的規(guī)定對構(gòu)件進行底漆及面漆涂裝。

(3)由于荷載提高使節(jié)點區(qū)應(yīng)力提高的節(jié)點，通過計算后確定節(jié)點加固方式。對于單剪板鉸接節(jié)點，在卸荷的條件下添加雙剪板使之增大受剪承載力;對于焊接剛接節(jié)點，添加與梁相同截面的腋角，增大抵抗節(jié)點域彎矩的能力。

5 施工要求

本項目為改造工程，需根據(jù)現(xiàn)場實際情況來完善設(shè)計方案，對于施工方來說，改造中可能遇到的問題則更多。設(shè)計方考慮了幾點施工要求:

(1)對于施工圖設(shè)計的節(jié)點，在實際安裝前需經(jīng)過鋼結(jié)構(gòu)廠或詳圖設(shè)計公司的放樣繪制制造圖，要求在繪制制造圖的過程中需考慮原有節(jié)點和現(xiàn)有節(jié)點間的關(guān)系，參考原設(shè)計圖或現(xiàn)場實際勘察數(shù)據(jù)，在確認(rèn)無誤后方可下料制作。

(2)除一般鋼結(jié)構(gòu)施工要求外，在原結(jié)構(gòu)上開螺栓孔時明確要求機械鉆孔;在原結(jié)構(gòu)焊接構(gòu)件時要求采取焊接保護措施，避免對原有構(gòu)件造成破壞。

(3)對于原有結(jié)構(gòu)，因長期腐蝕或因施工原因造成的破壞要進行修補;對于原有結(jié)構(gòu)未進行防火、防腐保護的部位均需按照新規(guī)范要求執(zhí)行。

(4)在施工過程中考慮到改造可能在業(yè)主不停產(chǎn)的情況下進行，所以要求施工單位在進行施工組織的時候必須得到業(yè)主的認(rèn)可后方可執(zhí)行。

6 結(jié)語

改造后的管廊滿足產(chǎn)能提升后的生產(chǎn)需求，可為同類工廠的改造項目提供設(shè)計參考。

1 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊第二版［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009．

2 王成樵等．某綜合管廊加層改造前的檢測評估［J］．鋼結(jié)構(gòu)，2008(8)．

This article presents a practical case of pipe rack improvement design for a petrochemical plant，which consists of adding more layers and providing additional reinforcementduetoplantcapacityincrease．Recommendations indesignaimingatthepotentialproblemsin construction are given as well．

Steel Pipe Rack Reinforcement and Improvement Design for a Petrochemical Plant

Shui Peijun，et al(Tongji University，Shanghai 200032)

pipe rackreinforcementimprovementdesign

*水培君:工程師。2005年畢業(yè)于同濟大學(xué)土木工程專業(yè)?，F(xiàn)從事石油化工行業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。聯(lián)系電話:(021)64164200－3690，E－mail:shuipeijun@139.com。

(修改回稿2012－04－27)