周小歆

中海油石化工程有限公司 濟(jì)南 250010

在LNG領(lǐng)域中，ORV(開架式氣化器)利用海水溫度使液態(tài)LNG氣化，因其運行成本低、環(huán)保、安全等優(yōu)點，是一種常用的氣化器類型，也是LNG制造中的重要設(shè)備之一。ORV需要支撐在混凝土基礎(chǔ)上，因此，需要結(jié)構(gòu)專業(yè)針對ORV的特點進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

ORV設(shè)備一般由特定廠商設(shè)計，其內(nèi)部管線復(fù)雜，預(yù)埋件預(yù)留孔多，平臺樓梯的設(shè)計較復(fù)雜；另外，對ORV支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計算、設(shè)計分析、繪制設(shè)計圖等參考依據(jù)也少。本文以某LNG項目中的ORV支撐結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行分析探討，希望對設(shè)計人員有一定參考意義。

1 ORV支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計輸入條件

結(jié)構(gòu)專業(yè)進(jìn)行ORV支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)一般是廠商條件和管道專業(yè)條件。本文以某廠商的條件圖為例進(jìn)行分析設(shè)計，條件圖見圖1～圖6、荷載見表1。

圖1 條件圖(平面圖)

圖2 條件圖(立面圖)

圖3 條件圖(側(cè)視圖)

圖4 條件圖(A-A)

圖5 條件圖(B-B)

圖6 條件圖(C-C)

表1 單根預(yù)埋螺栓位置點受力表

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 從條件圖里提取結(jié)構(gòu)分析計算所需的基本構(gòu)件

結(jié)構(gòu)分析常見的構(gòu)件有板、梁、柱和墻，不同類型構(gòu)件受力特點不同，從而簡化的計算模型也不同。從廠家條件圖里可提取的構(gòu)件信息見表2。

表2 構(gòu)件信息匯總表

2.2 確定總體結(jié)構(gòu)類型

(1)方案一：框架剪力墻結(jié)構(gòu)

根據(jù)表1提取的構(gòu)件信息，直觀上很容易將此結(jié)構(gòu)判斷為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，總高度8.486m，按照梁的布置確定分層情況，整體計算中可忽略樓梯影響。

根據(jù)上述假定，建立模型進(jìn)行試算，計算模型見圖7，經(jīng)試算后計算結(jié)果見圖8。

圖7 方案一計算模型

圖8 超筋超限信息

由圖8可以看出，超限的均為剪力墻，因為把200mm厚的墻作為抗震剪力墻，由于平面內(nèi)剛度比柱的剛度大很多，承擔(dān)很大部分的地震剪力，在水平地震剪力作用下單片剪力墻底部承擔(dān)的水平剪力>結(jié)構(gòu)底部總剪力的30%,框架部分和剪力墻部分受力不合理[1]。

此外，此結(jié)構(gòu)的兩面墻體并非全高設(shè)置，抗震性能非常不好。如果繼續(xù)采用框架抗震墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析，必須對框架部分和墻體部分的尺寸進(jìn)行修改，與廠商推薦尺寸差別較大，對內(nèi)部管線和構(gòu)件布置影響較大。

鑒于總高度比較矮，抗震墻分布并非普通結(jié)構(gòu)中的全高分布，框架部分縱向無約束，抗震墻作為整個結(jié)構(gòu)的縱向聯(lián)系構(gòu)件，只需考慮在縱向分擔(dān)的地震力即可。從構(gòu)造上可以將框架部分增大配筋系數(shù)，抗震墻的配筋適當(dāng)減少，保證地震工況下框架部分有足夠的剛度抵抗水平剪力。

(2)方案二：框架結(jié)構(gòu)

根據(jù)方案一存在的問題，對墻體進(jìn)行分析：首先墻體厚度較小，地震工況下受力大，不滿足截面要求；其次，墻體分布不均勻，其中兩側(cè)墻體不是全高設(shè)置，且有一面墻體非常矮，高度小于1.2m，另一面墻體開洞較多，均為抗震不利條件；第三，墻體從受力角度來講，僅起到維護(hù)功能，不承擔(dān)管線荷載和操作荷載。綜上因素，有充分理由可忽略四面墻體的作用，僅考慮柱和梁的剛度，將此結(jié)構(gòu)簡化為框架結(jié)構(gòu)。

根據(jù)上述分析結(jié)論，建立方案二的模型并計算分析，計算模型見圖9、計算指標(biāo)匯總見圖10。

圖9 方案二計算模型

圖10 方案二計算指標(biāo)匯總

從圖10中看出，計算指標(biāo)均符合規(guī)范要求，因此，對ORV支撐結(jié)構(gòu)簡化為框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析是合理的。

同時要注意，簡化為框架結(jié)構(gòu)計算時，每榀框架的橫向均為梁柱剛接框架，但是縱向沒有形成梁柱框架，受力更接近于平面二維結(jié)構(gòu)，鑒于本項目計算后X、Y向位移指標(biāo)都符合規(guī)范要求，可不再考慮裝置內(nèi)部構(gòu)件剛度的影響。實際上，在結(jié)構(gòu)頂部，有吊掛LNG管道的鋼梁，這樣整個結(jié)構(gòu)實際是雙向梁柱抗側(cè)力的，此鋼梁的作用會使整個結(jié)構(gòu)實際縱向位移小于計算值，對工程設(shè)計是有利的。

方案二的假定前提是混凝土墻不參與整個結(jié)構(gòu)的受力分析，設(shè)計中需要采取措施，減弱混凝土墻剛度對框架剛度的影響，節(jié)點做法見圖11，同時對框架結(jié)構(gòu)的剛度進(jìn)行折減，折減系數(shù)可取0.8。

圖11 柱墻節(jié)點

方案一和方案二各有優(yōu)缺點，設(shè)計中可根據(jù)具體情況選擇其一計算，也可以兩者包絡(luò)設(shè)計，保證安全可靠。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 支撐結(jié)構(gòu)等級界定

ORV氣化器是LNG接收站的重要設(shè)備之一，其支撐結(jié)構(gòu)的安全等級為一級，重要性系數(shù)為1.1，抗震等級要提高一級。

3.2 框架柱的設(shè)計

ORV支撐結(jié)構(gòu)的框架柱尺寸較大，縱筋間距大，要保證箍筋肢距滿足規(guī)范要求：抗震一級不宜大于200mm，二、三級不宜大于250mm?？紤]到此結(jié)構(gòu)層分布不規(guī)則，管道荷載較大，框架縱向剛度弱，柱的箍筋應(yīng)全高加密，箍筋構(gòu)造要滿足規(guī)范GB50011[2]中表6.3.7-2要求。

3.3 支撐海水管結(jié)構(gòu)層的設(shè)計

整個ORV支撐結(jié)構(gòu)根據(jù)梁的布置可分成多層考慮，最重要的結(jié)構(gòu)層是支撐較大管道荷載的結(jié)構(gòu)層，支撐海水管荷載的位置位于裝置外部[3]，需要做懸挑梁作為支撐，懸挑梁本身就屬于靜定結(jié)構(gòu)，沒有多余的贅余度，對此部分的設(shè)計必須引起重視。本工程針對管道支撐條件，對管道支撐處設(shè)置為懸挑梁上起柱形式，對懸挑梁加大尺寸，箍筋加密加箍，箍筋間距≤100mm，詳細(xì)設(shè)計見圖12。

圖12 支撐管道層結(jié)構(gòu)圖

3.4 頂部結(jié)構(gòu)層的設(shè)計

頂部框架梁頂通過螺栓固定H型鋼梁，此鋼梁用于固定懸吊裝置(懸掛LNG管線)，橫梁承受的荷載包括設(shè)備荷載和流體荷載，每個螺栓受力點承受的設(shè)計荷載約15t，中間橫梁螺栓受力點最多，共有8個。因此頂部框架梁尺寸一般較大，考慮到框架梁的受荷情況，箍筋應(yīng)全長加密。螺栓定位要準(zhǔn)確，施工前設(shè)計圖應(yīng)與廠商安裝圖核對無誤后再預(yù)埋施工。

3.5 樓梯設(shè)計

樓梯部分要根據(jù)廠商要求的使用功能進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。樓梯位于裝置外側(cè)，大部分需要懸挑梁或懸挑板滿足剛度要求，且這部分要考慮舒適方便的要求。

(1)建筑要求

根據(jù)規(guī)范GB50016中6.4.5條要求，室外疏散樓梯傾斜角度不應(yīng)大于45°，欄桿扶手的高度不應(yīng)小于1.1m，樓梯凈寬不應(yīng)小于0.9m。根據(jù)規(guī)范GB50352[4]中6.8條要求，樓梯凈寬應(yīng)為兩側(cè)扶手中心線的距離或扶手中心線與一側(cè)建筑外表面的距離。樓梯平臺凈高不應(yīng)小于2.0m，梯段處凈高不應(yīng)小于2.2m。踏步寬度按250mm設(shè)計，大小可做稍微調(diào)整。

(2)結(jié)構(gòu)要求

梯梁宜兩端支撐，當(dāng)不滿足兩端支撐時，梯梁優(yōu)先從框架柱上懸挑；當(dāng)為滿足樓梯踏步尺寸和傾斜角度而不能直接從框架柱上懸挑時，應(yīng)在梯梁支點處設(shè)暗柱(梯柱)，不得直接從混凝土墻處或框架梁處懸挑，防止墻、梁平面外被破壞。樓梯平臺可懸挑或多邊支撐，滿足凈空要求。

樓梯宜采用板式樓梯，樓梯形式可參考圖集16G101-2和15G307。

3.6 基礎(chǔ)設(shè)計

LNG被ORV氣化器中的高溫海水氣化，被吸走熱量的海水要從地面排到海水渠[5]，整個裝置內(nèi)室內(nèi)地面標(biāo)高到設(shè)計水位線常年受海水沖刷。在此種環(huán)境下，一般構(gòu)造的地面達(dá)不到設(shè)計使用年限，需要結(jié)構(gòu)直接在地面就開始做基礎(chǔ)。通常做法是整個裝置下做筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)頂標(biāo)高即地面標(biāo)高，并用細(xì)石混凝土或水泥砂漿找坡，坡度一般0.3%，方便海水流出。根據(jù)地勘報告土質(zhì)情況確定筏板是做天然地基還是樁基處理。關(guān)于基礎(chǔ)的計算與其他結(jié)構(gòu)相同，本文不再贅述。

3.7 預(yù)埋件預(yù)留洞

ORV氣化器支撐結(jié)構(gòu)的預(yù)埋件預(yù)留洞較多，結(jié)構(gòu)專業(yè)應(yīng)根據(jù)條件進(jìn)行預(yù)留預(yù)埋，預(yù)埋件要注明標(biāo)高(注意二次灌漿層厚度)和定位，預(yù)埋件中心與基礎(chǔ)應(yīng)滿足4d(螺栓直徑)和150mm的較大值，不滿足時應(yīng)跟廠商溝通更改尺寸，避免與其他管道或構(gòu)件碰撞。

4 結(jié)語

本文對LNG項目中的ORV支撐結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計進(jìn)行論述，確定了結(jié)構(gòu)類型和計算模型，并介紹了該結(jié)構(gòu)設(shè)計中的框架柱、結(jié)構(gòu)層、樓梯、預(yù)埋件預(yù)留洞的規(guī)范要求和注意事項，同時附上其實際項目的做法供參考，補充完善了該特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法和規(guī)定。該項目施工后運行良好，其對ORV支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計研究方法和規(guī)定為后續(xù)設(shè)計人員提供了參考。