孫曉明

【摘要】隨著我國(guó)氧化鋁工藝生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，溶出技術(shù)已發(fā)生了巨大變化，尤其是在大型管道化溶出技術(shù)的應(yīng)用上，使得溶出過(guò)程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)得到了顯著提高和改善。在此背景下，套管鋼結(jié)構(gòu)支架作為管道化溶出的結(jié)構(gòu)支撐體系，在氧化鋁廠中正被廣泛應(yīng)用。本文主要通過(guò)對(duì)溶出套管鋼結(jié)構(gòu)支架的結(jié)構(gòu)組成分析、設(shè)計(jì)原則確定等方面的論述，提出了氧化鋁廠中的溶出套管鋼結(jié)構(gòu)支架的設(shè)計(jì)方法，希望能為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者提供設(shè)計(jì)參考。

【關(guān)鍵詞】氧化鋁;溶出套管;鋼結(jié)構(gòu)支架;設(shè)計(jì)方法;特種結(jié)構(gòu)

溶出套管鋼結(jié)構(gòu)支架是氧化鋁廠中重要的建筑結(jié)構(gòu)，不僅在新建氧化鋁廠中被廣泛應(yīng)用，在老舊氧化鋁廠的改擴(kuò)建中也成為首選方案。作為一種特殊的結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)方法在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)程或規(guī)范中都很少介紹，缺少一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者，將其歸為何種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析，如何把握其設(shè)計(jì)原則，怎樣進(jìn)行荷載計(jì)算等一系列過(guò)程，均需要從頭到尾認(rèn)真尋求和衡量。

1、溶出套管鋼結(jié)構(gòu)支架設(shè)計(jì)現(xiàn)狀介紹

在目前溶出套管鋼結(jié)構(gòu)支架的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)者只能依照自己的工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合以往施工圖紙，參考相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。然而，在對(duì)規(guī)范理解及實(shí)際應(yīng)用上往往會(huì)出現(xiàn)不同意見(jiàn)，其設(shè)計(jì)結(jié)果會(huì)直接影響到結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和安全。對(duì)于經(jīng)驗(yàn)不足的設(shè)計(jì)者往往會(huì)出現(xiàn)如下設(shè)計(jì)問(wèn)題：

（1）對(duì)其結(jié)構(gòu)組成不明確，盲目將其結(jié)構(gòu)形式歸為鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，甚者為了滿足變形要求，一味增加水平及豎向支撐，造成材料浪費(fèi)。

（2）對(duì)其受力特點(diǎn)不清晰，沒(méi)有遵照設(shè)計(jì)原則，任意增大荷載，放大系數(shù)，造成梁柱截面偏大，基礎(chǔ)面積變大，使建設(shè)成本增加。

（3）對(duì)其荷載計(jì)算不清楚，荷載輸入時(shí)丟失荷載，造成構(gòu)件截面大小不足，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度不夠，存在安全隱患，甚至影響企業(yè)生產(chǎn)。

為了避免以上設(shè)計(jì)問(wèn)題的出現(xiàn)，使設(shè)計(jì)者少走彎路，本文通過(guò)詳細(xì)分析溶出套管鋼結(jié)構(gòu)支架的結(jié)構(gòu)組成，重點(diǎn)闡述其結(jié)構(gòu)組成、設(shè)計(jì)原則，為設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)完整的設(shè)計(jì)方法，希望能為設(shè)計(jì)者提供幫助。

2、溶出套管鋼結(jié)構(gòu)支架設(shè)計(jì)方法

2.1結(jié)構(gòu)組成分析

溶出套管鋼結(jié)構(gòu)支架主要承擔(dān)套管產(chǎn)生的多種作用力，首先就要了解套管與普通管網(wǎng)中管道的區(qū)別。套管區(qū)別于普通管網(wǎng)中的管道其特征表現(xiàn)是：

（1）套管由一根大直徑外管內(nèi)穿三根小直徑內(nèi)管組成，為內(nèi)外管共同作用，管道自重大;

（2）套管的內(nèi)外管中介質(zhì)不同，內(nèi)管為礦漿，外管為蒸汽，溫度逐級(jí)升高，水平推力大;

（3）套管的長(zhǎng)度一定，只在中間固定，排列均勻，且每層套管在縱向有一定坡度。

溶出套管鋼結(jié)構(gòu)支架結(jié)構(gòu)體系由管座、支架橫梁、支架柱、縱向系桿和支撐系統(tǒng)組成，橫向一般為多層多跨框架，縱向?yàn)橄禇U鏈接的多層排架，固定支架設(shè)在管道的中部，活動(dòng)支架在固定支架兩側(cè)均勻排列。支架縱向柱距一般為8m，橫向跨度需根據(jù)工藝布置的套管根數(shù)確定，常見(jiàn)為4～6m，支架層高一般為2～2.2m，兩端設(shè)置的檢修平臺(tái)及樓梯的結(jié)構(gòu)形式為鋼框架結(jié)構(gòu)。一般情況無(wú)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，僅在極寒地區(qū)有設(shè)置圍護(hù)結(jié)構(gòu)的。

2.2設(shè)計(jì)原則確定

2.2.1共同作用原則

溶出套管鋼結(jié)構(gòu)支架作為套管的受力支承結(jié)構(gòu)，而在一定程度上套管也支承著支架，兩者之間形成了一個(gè)空間體系而共同作用。因此其計(jì)算不僅要進(jìn)行二維平面計(jì)算，還要進(jìn)行三維空間建模計(jì)算。

2.2.2牽制作用原則

當(dāng)支架上敷設(shè)多根管道時(shí)，在任一瞬間有溫度動(dòng)作的管道力圖推動(dòng)支架位移，而無(wú)溫度動(dòng)作的管道，非但不推動(dòng)支架位移，反而起著阻止支架位移的作用。各管道之間由于不同時(shí)工作，對(duì)支架的受力和位移就會(huì)產(chǎn)生牽制作用。牽制作用的大小與管道在支架上的布置方式有關(guān)，支架上管道根數(shù)越多，牽制作用越大;介質(zhì)溫度高低和質(zhì)量大小的管道排列越對(duì)稱(chēng)、越均衡，牽制作用越大;高溫管道偏設(shè)一側(cè)時(shí)，牽制作用小;管道同時(shí)起動(dòng)時(shí)，牽制作用小。套管在支架上對(duì)稱(chēng)均勻的布置方式就是為了盡可能有較大的牽制效果，以減少支架承受的縱向水平推力。常見(jiàn)套管層數(shù)均在6～8層，每級(jí)支架橫梁上布置2～4根套管，且套管質(zhì)量相同，排列均衡，因此套管對(duì)整個(gè)鋼支架起的牽制作用是有利的。

2.2.3活動(dòng)及固定支架設(shè)計(jì)原則

活動(dòng)支架：縱向?yàn)楣艿赖目梢苿?dòng)支點(diǎn)，橫向?yàn)楣艿赖牟灰苿?dòng)支點(diǎn)。支架承受的水平推力為管道滑動(dòng)摩擦力，管道采用滑動(dòng)管座敷設(shè)在支架橫梁上?；顒?dòng)管架按單片平面支架進(jìn)行內(nèi)力分析，梁柱為剛接，柱與基礎(chǔ)為固接。對(duì)于支架平面內(nèi)可按平面多層多跨框架進(jìn)行內(nèi)力分析，對(duì)于支架柱平面外按上端自由、下端固定的受彎構(gòu)件計(jì)算，對(duì)于支架梁計(jì)算水平推力作用下的平面外彎矩時(shí)，按兩端簡(jiǎn)支計(jì)算，平面外扭矩時(shí)，按兩端固定計(jì)算。

固定支架：縱向及橫向均為管道的不可移動(dòng)支點(diǎn)。支架具有足夠剛度，保證管道系統(tǒng)的穩(wěn)定，支架承受的水平推力，由工藝專(zhuān)業(yè)提供。支架上管道一般均采用固定管座敷設(shè)在支架橫梁上。套管固定支架形式一般為“A”字架支撐結(jié)構(gòu)和柱間中心支撐結(jié)構(gòu)。

兩種固定形式均增加了固定支架的剛度，將固定支架處的水平推力通過(guò)“A”字架支撐或柱間中心支撐直接傳到柱底，減少支架柱承受的水平力。兩種結(jié)構(gòu)形式均受力明確簡(jiǎn)單，施工方便，在工程項(xiàng)目中均有應(yīng)用。相比之下“A”字架支撐結(jié)構(gòu)在套管層數(shù)少、地震烈度不高的情況下更經(jīng)濟(jì)適用，而柱間中心支撐結(jié)構(gòu)在套管層數(shù)多、地震烈度較高地區(qū)更安全可靠。

2.2.4檢修平臺(tái)設(shè)計(jì)原則

套管兩端檢修平臺(tái)為鋼框架結(jié)構(gòu)，受套管豎向布置限制，每層檢修平臺(tái)層高為兩米左右，為了增加層間凈高，盡量滿足人員通行需要，設(shè)計(jì)時(shí)鋼梁截面應(yīng)盡量采用截面高度小的中翼緣或?qū)捯砭塇型鋼。為了增加檢修通道寬度，端部均設(shè)置了約2米寬的懸挑平臺(tái)。該懸挑平臺(tái)的支撐體系設(shè)計(jì)同樣需要注意滿足人員通行要求，打破常規(guī)的做法：僅在首層采用三角支撐，其余每層平臺(tái)為了避免斜撐阻礙通行，則通過(guò)設(shè)立短柱支撐上一層懸挑梁的方法進(jìn)行解決。

結(jié)語(yǔ)：

本文提供了溶出套管鋼結(jié)構(gòu)支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)完整設(shè)計(jì)方法和思路。溶出套管鋼結(jié)構(gòu)支架作為特種結(jié)構(gòu)，在工業(yè)建筑設(shè)計(jì)中是相對(duì)特殊的結(jié)構(gòu)形式。因此，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中重視其結(jié)構(gòu)特征和設(shè)計(jì)原則，并結(jié)合實(shí)際工程案例吸取經(jīng)驗(yàn)，不斷彌補(bǔ)設(shè)計(jì)中的缺陷和不足，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)工業(yè)建筑設(shè)計(jì)“技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、設(shè)計(jì)快速和安全適用”的目標(biāo)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB50191-2012.構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[M].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社出版，2012.

[2]中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).SH/T3055-2007.中華人民共和國(guó)石油化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).石油化工管架設(shè)計(jì)規(guī)范.

[3]曲昭嘉.簡(jiǎn)明管道支架計(jì)算機(jī)構(gòu)造手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.8.