蘇雪蓉梁煥新(.中國成達工程有限公司,四川 6004;.成都大學建筑與土木工程學院,四川 成都 6006)

化工一段爐的結構設計

蘇雪蓉1梁煥新2(1.中國成達工程有限公司,四川 610041;2.成都大學建筑與土木工程學院,四川 成都 610106)

一段爐是化工廠重要的化工設備，由于其體型大、結構體系復雜、荷載眾多，再加上工作時較高的溫度，成為結構設計的難點。本文利用sap2000結構計算軟件，建模計算并分析了一段爐輻射段鋼結構溫度膨脹滑移以及溫度變化對鋼結構及混凝土基礎的影響，并給出了合理化建議，可供類似工程參考。

一段爐;溫度應力;模擬計算;限位支座

Abstract:The reformer is an important chemical equipment.It has become a difficult point of structural design because of it large size,complex structure forms,lots of loads and higher temperature at work.This paper uses sap2000 structure calculation software,modeling and analysis the temperature expansion slip of radiation section and influence of temperature change on steel structure and concrete foundation.In addition,some reasonable suggestions are given,which can provide for similar engineering.

Key words:Reformer; Thermal stress; Analog calculation; Spacing support

化工一段爐是甲醇裝置的核心設備，本文以某項目180萬噸甲醇裝置為例，該一段爐結構分為輻射段、過渡段、對流段模塊、SCR、鼓引風機、煙囪等部分。其中，輻射段是一段爐中最重要也是最復雜的結構，爐體內部溫度約為700～800℃，根據(jù)專利商所提供的資料，輻射段鋼結構在工作狀態(tài)時，鋼柱表面升溫約50℃，爐墻表面升溫約55℃，爐底鋼梁表面升溫約110℃，爐頂鋼梁表面升溫約90℃，加上其龐大的體積，復雜的結構形式及眾多的荷載是結構設計的難點。

本文以一段爐輻射段溫度變化為出發(fā)點，分析研究了爐底鋼結構和混凝土基礎在溫度作用下的受力及變形情況，并給出了設計過程中的合理化建議。

1 一段爐輻射段布置形式介紹

一段爐輻射段分為上部鋼結構和下部混凝土框架以及基礎三部分，輻射段立面圖如圖1所示。

上部鋼結構又分為爐底、爐墻、爐體平臺、爐圖1 一段爐輻射段立面圖頂和屋架部分，內部有轉化管、彈簧吊架、管道、風道、燒嘴、閥門、操作平臺等，結構形式較為復雜。上部鋼結構通過爐底鋼梁及螺栓與下部混凝土框架連接，下部混凝土框架頂設有限位支座和滑動支座，在工作狀態(tài)下上部鋼結構可以在混凝土框架上滑動，釋放溫度應力。一段爐基礎根據(jù)地質情況，采用相應的基礎形式。

輻射段爐底支座布置圖如圖2所示，其中支座E4(軸線“E”和軸線“4”的交點，余同)為固定支座，約束X方向位移Dx，Y方向位移Dy，Z方向(豎直方向)位移Dz，以及X、Y、Z三個方向轉角Rx、Ry、Rz；支座A4、B4、C4、D4、F4、G4 約束Y 方向和Z方向位移；支座E1、E2、E3、E5、E6約束X方向和Z方向位移；其它支座僅約束Z方向位移，可向X、Y兩個方向自由滑移。每個支座的具體約束形式如表1所示。

圖1 一段爐輻射段立面圖

圖2 輻射段爐底支座布置圖

表1 輻射段支座約束形式

2 溫度對爐底鋼結構的影響

溫度變化一直是結構設計的難點，在溫度荷載作用下，鋼結構會產(chǎn)生一定的變形，這些變形如果不釋放，將對結構產(chǎn)生很大的內力，影響結構的安全使用。對于復雜的空間結構，需要建立有限元模型來解決溫度變化問題。

一段爐輻射段的計算采用SAP2000計算程序，下部混凝土結構和上部鋼結構整體建模分析。一段爐鋼材材質為Q345，彈性模量為206×103N/mm2,溫度線膨脹系數(shù)為12×10-6/℃；混凝土強度等級為C30，彈性模量為3.0×104N/mm2。一段爐輻射段下部混凝土框架同上部鋼結構溫度膨脹滑移模擬采用SAP2000中weld約束來實現(xiàn)，并根據(jù)支座的實際情況對X、Y、Z三個方向的位移和轉角進行約束。Weld在SAP2000中為拼接束縛，可以用于將使用不同剖分的結構模型部分連接起來。在施加拼接束縛的一組節(jié)點中，內部為相鄰的(小于工程師指定的距離容差)一組節(jié)點生成了一個獨立的體束縛。需要注意的是，距離容差不應該太大，否則會將本應是獨立模型的各個部分包括在一起。

依據(jù)專利商所提供的條件，對輻射段鋼結構的不同部位輸入不同的溫度變化，在溫度荷載作用下，鋼結構的變形如圖3所示(以A軸線剖面為例)。

通過計算，可以得到爐底鋼梁在控制溫度下的位移，如表2所示。(其中X向位移向左為正，Y向位移向上為正)

由圖3和表2可知，鋼結構在溫度荷載作用下，X方向的溫度滑移是以軸線“E”限位支座向兩邊膨脹變形，且離軸線“E”越遠溫度膨脹變形越大。Y方向的溫度滑移是以軸線“4”限位支座向兩邊膨脹變形，且離軸線“4”越遠溫度膨脹變形越大。上述計算結果符合溫度變化規(guī)律，表明計算模型正確。

為了釋放溫度應力，并保證鋼結構的膨脹滑移不影響下部的混凝土框架結構，需要在限位支座上開設開橢圓孔。由表1可知，X方向最大位移量為35.1mm，Y方向最大位移量為18.2mm，考慮到理論計算模型和實際的區(qū)別，出于安全考慮，將需要釋放X方向位移的開孔尺寸確定為50mm，需要釋放Y方向位移的開孔尺寸確定為30mm。軸線“4”和軸線“E”相交處設置限位支座，在限位方向上的螺栓孔不設置滑移量。

圖3 輻射段鋼結構A軸線在溫度下的變形

表2 爐底鋼梁在溫度下的位移 單位：mm

3 溫度對混凝土基礎的影響

鋼結構受熱膨脹變形，對下部混凝土框架會產(chǎn)生兩方面的影響。一方面鋼梁滑動產(chǎn)生的滑動摩擦力，這部分力會傳遞到混凝土框架上，由于結構是由中間向兩邊膨脹，兩個方向的滑動摩擦力相抵消，滑動摩擦力對混凝土結構整體沒有影響。另一方面，鋼結構溫度變形對混凝土框架柱產(chǎn)生豎直方向的拉力或壓力，這些豎向力對混凝土框架結構合力為零。滑動摩擦力和豎直方向的拉壓力對混凝土框架結構整體沒有影響，但對于單根混凝土柱，豎直方向的拉壓力會對混凝土柱截面尺寸、軸壓比、配筋率產(chǎn)生影響，在結構設計時應引起注意?；瑒幽Σ亮拓Q直方向的拉壓力將傳遞到下部基礎，對下部基礎影響較大，下面將做具體分析。由于數(shù)據(jù)量較大，這里以溫度荷載作用下柱底豎向反力為例進行分析。

表3 溫度荷載下柱底豎向反力FZ 單位：kN

表3為溫度荷載作用下柱底豎向反力(壓力為正，拉力為負)，從表中可以看出，四個角點A1、A6、G1、G6柱產(chǎn)生了很大的拉力，其它柱產(chǎn)生了大小不等的拉力或壓力。這是因為爐體四周設有爐墻板，爐墻板在溫度作用下兩端會產(chǎn)生翹曲變形，從而使爐墻板下基礎兩頭受拉，中間受壓。由于軸線“A”處爐墻板剛度遠大于軸線“G”，使得A1和A6點處的基礎拉力遠大于G1和G6基礎。在基礎設計時，結構的四個角點由于溫度拉力的存在，基礎尺寸往往會很大。

以柱A1為例，表4為各工況下柱A1的受力情況。其中D為恒載、L為活載、Wx為X方向風荷載、Wy為Y方向風荷載、Ex為X方向地震荷載、Ey為Y方向地震荷載，T為溫度荷載。

表4 柱A1受力表 單位：kN,m

從表4中可以看出，溫度產(chǎn)生的豎向拉力遠大于結構活載、地震和風荷載產(chǎn)生的豎向力，且同結構恒載產(chǎn)生的壓力相差不大。在基礎設計中，拉力的存在會使荷載組合下基礎豎向壓力減小或者基礎受拉，為不使基礎底面拉應力區(qū)超過國家規(guī)范要求，基礎截面尺寸往往較大。

溫度荷載作用下，由溫度變化產(chǎn)生的水平力會使混凝土基礎受到剪力和彎矩，若混凝土框架較高或者基礎埋置較深，基礎底面也會產(chǎn)生較大的剪力和彎矩，影響基礎的大小，在基礎設計中應特別關注。

4 限位支座的設計

根據(jù)輻射段鋼結構在溫度下的受力和變形特點，設計了固定支座、X方向滑移支座、Y方向滑移支座和自由滑移支座四種支座形式。下面以X方向滑移支座為例進行說明。

圖4 X方向滑移支座

圖4為X方向滑移支座，鋼梁的下翼緣開設有長方形螺栓孔，螺栓孔長邊方向為滑移方向，開孔大小根據(jù)溫度膨脹位移確定；螺栓孔短邊為約束位移方向，開孔大小為螺栓自身所需螺栓孔大小即可?；炷林斏下裨O鋼板，鋼板和上部鋼梁之間設置聚四氟乙烯板。因此，在溫度荷載作用下，支座就能實現(xiàn)滑動。

5 結語

本文利用sap2000結構計算程序，建模并計算分析了一段爐輻射段爐底鋼結構溫度膨脹滑移以及溫度對混凝土基礎的影響，得到以下結論：

(1)爐底鋼梁在溫度荷載作用下產(chǎn)生膨脹滑移，滑移量要根據(jù)溫升及鋼梁所處位置計算確定。

(2)爐底支座螺栓開孔尺寸由爐底鋼梁的溫度滑移量來決定，并考慮一定量的計算誤差。

(3)鋼結構受熱膨脹，會對基礎產(chǎn)生豎直的拉力或壓力、水平剪力和彎矩。在基礎設計時，結構四個角點由溫度所引起的豎向拉力會很大，會成為影響基礎尺寸的控制荷載。

(4)根據(jù)鋼結構在溫度荷載作用下的受力和變形特點，設置固定支座、X方向滑移支座、Y方向滑移支座和自由滑移支座四種支座形式來滿足結構位移要求。

[1]SAP2000中文版使用指南(第二版)[M].人民交通出版社，2012.

[2]GB50017-2003，鋼結構設計規(guī)范[S].

[3]GB50010-2010，混凝土結構設計規(guī)范[S].

[4]GB50007-2011，建筑地基基礎設計規(guī)范[S].

STRUCTURAL DESIGN OF CHEMICAL REFORMER

Su Xuerong1, Liang Huanxin2
(1.Chengda Engineering co.,LTD in China, Sichuan 610041;2.School of Architecture and civil engineering Chengdu University, Sichuan 610106)

蘇雪蓉(1973-)，女，中國成達工程有限公司，研究方向：結構設計。梁煥新(1971-)，女，成都大學建筑與土木工程學院，研究方向：結構教學與研究。