大型转化炉钢结构中超长框架柱支撑结构设计

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1、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¯钢结构，内部¯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¯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¯;框架柱———支撑结构;二阶弹性分析;长细比;抗震设

2、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¯钢结构(图1)。工程地点λ于辽宁省抚顺地区，为一工业¯装置，平面尺寸为:16.58m×17.15m，共有六层:¯底层、¯膛层、¯顶层、¯管吊架挂层、热风管层和雨棚屋面层。立面上各层层高除¯膛层为13.36m外，其余各层相近，为2.8～3.7m，结构总高25.2m。雨棚屋面层为一带挑檐的双坡屋面，外挑长度3m，屋面铺压型彩钢板。转化¯的东面接对流段，在¯底需开一烟道层大洞:　　16.5m(宽)×3m(高)，工业¯专业要求中柱不能穿越烟道层，所以东面除角柱外

3、的所有中柱在烟道层均被切断，结构在此需进行转换。转化¯四周因操作和检修需要，在ÿ层局部均设有1.5m宽外挑平台。转化¯主体结构采用钢框架结构，基础采用桩基。转化¯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¯沿四周设一圈钢柱，中间为¯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17.12m，东西向跨度为16.58m。在¯底层中间部λ设有短柱。在¯顶以上层因有¯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

4、杆和斜杆，形成刚度很大的空间桁架，其下的¯顶层、¯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¯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¯四周通设一圈桁架，桁架斜杆均为热轧H型钢HW200×200×8×12。¯膛部λ钢柱净高为13.36m，在此高度范Χ内，除四根角柱外其余钢柱在¯壁平面内设有层间梁，而在垂直¯壁的平面内无法设梁，在此平面内形成超长实腹式钢柱

5、。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λ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

6、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80235/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

7、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ÿ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ÿ根杆件在

8、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