工学论文：大型转化炉钢结构中超长框架柱支撑结构设计

 　　【摘 要】 抚顺石化大型制氢转化炉钢结构，内部炉体、烟道及工艺布置需要，结构只能采用超长实腹钢柱框架-支撑空间体系悬挂炉体荷载，在烟道层中柱全部断开，烟道层上方采用桁架转换。针对复杂的超长实腹钢柱框架-支撑空间结构体系，文章介绍了该工程结构布置和结构分析计算，着重阐述了结构分析采用二阶弹性分析法并考虑 P-Δ 效应，从极限承载力概念角度考虑结构整体空间协同作用，解决设计中控制超长柱的长细比问题，最后介绍了本工程的抗震设计和构造措施。
　　【关键词】 转化炉; 框架柱---支撑结构; 二阶弹性分析; 长细比; 抗震设计; 塑性铰; 犬骨式
　　本工程为中石油抚顺石化某分公司技造工程 6 ×104Nm3/ h 转化制氢装置之转化炉钢结构( 图 1) 。工程地点位于辽宁省抚顺地区，为一工业炉装置，平面尺寸为: 16. 58 m×17. 15 m，共有六层: 炉底层、炉膛层、炉顶层、炉管吊架挂层、热风管层和雨棚屋面层。立面上各层层高除炉膛层为 13. 36m 外，其余各层相近，为 2. 8 ～ 3. 7 m，结构总高 25. 2 m。雨棚屋面层为一带挑檐的双坡屋面，外挑长度 3 m，屋面铺压型彩钢板。转化炉的东面接对流段，在炉底需开一烟道层大洞:
　　16. 5 m( 宽) ×3 m( 高) ，工业炉专业要求中柱不能穿越烟道层，所以东面除角柱外的所有中柱在烟道层均被切断，结构在此需进行转换。转化炉四周因操作和检修需要，在每层局部均设有 1. 5 m 宽外挑平台。转化炉主体结构采用钢框架结构，基础采用桩基。转化炉钢结构为无填充墙钢框架结构体系，矩形柱网布置，钢柱、钢梁采用热轧 H 型钢，支撑、平台梁等采用普通槽钢或工字钢。转化炉沿四周设一圈钢柱，中间为炉膛，柱截面初步设计方案为热轧 H 型钢 HW350×350×12×19，框架南北向跨度为 17. 12 m，东西向跨度为 16. 58 m。在炉底层中间部位设有短柱。在炉顶以上层因有炉膛不能设柱，而跨度和荷载都较大，为增加结构的整体性和刚度，在雨棚屋面层的纵横两个方向均设竖杆和斜杆，形成刚度很大的空间桁架，其下的炉顶层、炉管吊架挂层、热风管层均设竖向吊杆悬挂于桁架下弦节点。桁架斜杆为双肢角钢组合截面 2?
　　180 ×110×10，直杆和竖向吊杆均为热轧 H 型钢 HW200 ×200 ×8 ×12。转化炉东侧底部接对流段设烟道层大洞处，在洞顶设双层桁架进行结构转换，为使结构整体空间刚度均衡协调，在烟道层顶标高处沿转化炉四周通设一圈桁架，桁架斜杆均为热轧 H 型钢 HW200 ×200 ×8 ×12。炉膛部位钢柱净高为13. 36 m，在此高度范围内，除四根角柱外其余钢柱在炉壁平面内设有层间梁，而在垂直炉壁的平面内无法设梁，在此平面内形成超长实腹式钢柱。由于本工程系超长框架柱-支撑体系，且由于二层烟道层的存在，使结构立面刚度突变较大，属于结构立面极不规则结构，对水平风荷载和地震荷载较敏感，水平侧移较大，在结构发生变形后应考虑结构变形后的位形和变形对外力的效应，此效应对结构稳定影响较大，不应忽略。针对本工程的结构特点，结构分析计算采用二阶弹性法。关于框架柱计算长度，长期的通行计算理论和现行钢结构设计规范的做法实际是逐个构件设计法，即把框架柱和横梁作为单独构件来处理，只是在计算时考虑其相互约束来确定杆件计算长度，详钢结构设计规范中的计算简化假定。
　　对本工程这种超长框架柱-支撑结构体系，这种框架柱计算长度计算简化假定会有如下问题:框架柱的失稳和变形模型假设理论太过理想，与工程实际结构框架柱发生失稳变形相差太大，尤其在地震作用下结构进入弹塑性时，计算假定模型会太过失真。在确定框架柱计算长度和确定等效弯矩系数时两次考虑 P－Δ 效应，结构偏于保守。按传统钢结构设计规范，计算的计算长度系数法分别求得的框架柱平面内外长细比 λx，λy，若再参照抗震规范的抗震构造措施强制性条文规定二级钢框架长细比不大于 80 235/f槡ay 来控制，试算结果则大部分框架柱的稳定应力比小于 0. 2，轴压比＜0. 1。
　　显然采用传统一阶弹性分析计算框架柱计算长度系数，并按抗震规范要求控制框架柱长细比则太严，框架柱的稳定承载力潜力很大，结构设计过于保守，经济性太差。实际上框架结构中压弯构件不是一根孤立的两端铰支或其他支承形式的杆件，而是空间框架的组成部分，框架柱的失稳实质上属于框架的整体失稳问题，框架柱、梁、支撑应是空间体系整体协同作用，要准确确定各结构杆件的计算长度，理论上应对框架-支撑上进行整体极限承载力分析，通过结构分析每根杆件发生失稳变形的模态形状并考虑塑形因素求得，各杆件在不同荷载作用下实际发生屈服进入塑形阶段并不是同时发生的，而要完全实现采用复杂结构体系的整体极限承载力分析法确定每根杆件在不同荷载工况下的计算长度，计算工作量和难度太大，现阶段直接用于设计也是不太现实的。但设计上可采用如下极限承载力概念设计思路:
　　通过分析结构的二阶弹形分析变形模态，尽量通过调整框架梁、柱、支撑断面和结构布置，通过杆件间互相空间协同作用，让尽量多的框架柱变形模态能够大体一致。充分考虑各变形模态一致的框架柱的相互空间协调支持作用，并考虑与计算柱连续的上下层柱的支持作用，分析各框架柱的稳定承载力应力比是否有潜力，潜力较高者可对其他柱起支持作用，被支持的框架柱计算长度系数可折减，提供支持的框架柱计算长度系数应提高。
　　在结构整体进入极限塑形变形后，为保证框架柱之间的相互支持协同作用，保持相同变形模态失稳模型，应根据结构的弹性分析结构，找出结构的薄弱层和薄弱点，找出整体结构的最先可能出现的塑性铰位置，确定结构极限塑形变形计算模型。为满足"小震不坏，大震不倒"的结构抗震的概念设计，塑性铰的最先出现位置必须控制在框架梁而非框架柱上。在罕遇地震作用下，框架结构应通过抗震构造措施实现强柱弱梁、强节点、强连接概念设计，使塑性铰的出现位置和整体结构极限失稳符合预期设计模型。二阶弹性结构分析考虑水平概念力和竖向重力的 P－Δ 效应，结构分析中框架柱的计算长度系数取 μ = 1. 0，并分析每根框架柱在荷载作用下的变形模态形状，通过控制结构断面尺寸和布置使框架柱变形形状模态尽量一致。
　　按传统规范法求出每根框架的计算长度系数和长细比。在大震作用下，为保证结构整体稳定和延性，控制框架柱的长细比，参照石油化工业管式炉钢结构规范中的要求，取用框架柱平均长细比 λ≤120。最后经结构方案经济比较，本工程采用二阶弹性计算并按上述方案考虑长细比问题设计的钢结构用量，对比传统方法一阶弹性计算和逐柱长细比规范计算法，前者比后者在本工程中可节约 15%以上的用钢量。在设计中用二阶弹性分析并考虑结构整体极限承载力处理框架柱长细比，经济效益是十分显着的。按照"小震不坏，大震不倒"的抗震设计原则，在小震作用下的弹性分析计算实际上是让结构具备一定抵抗地震作用的强度储备，现阶段大地震作用下提高结构抗震性能更多是依靠概念设计，即加强结构的抗震构造措施来实现。