石油化工钢结构设计常见问题及对策

石油化工钢结构设计常见问题及对策
石油化工类结构设计是一项较为复杂的工程，本文结合实践对石油化工钢结构设计中常见的问题进行了探讨，并提出了解决对策。

标签：石油化工;钢结构设计;问题;对策
引言：
石油化工工程中的酸、碱、盐、油、水、汽的跑、冒、滴、漏会导致钢结构处于腐蚀性介质或气体包围中，腐蚀介质或气体的成分复杂、渗透力强，很容易对钢结构造成腐蚀破坏，进而造成化工设备的不安全运转，甚至会出现由于倒塌而造成装置停产、化工物料泄漏、爆炸、着火等事故。

所以，为了确保其安全性，一定要认真分析石油化工钢结构的腐蚀特点，采取适当的防腐措施。

一、钢结构的特点
1、材质比较均匀。

钢材的材质是与力学假定条件的计算比较符合的;因为钢材的内部结构是接近于各向同性的，其材质情况的波动范围也比较小，因此，只要保持在一定应力的幅度内，都能有较好的弹性。

由于其实际的受力状态与工程力学计算的结果是较为接近的，所以材质方面较好。

2、强度高，自重轻。

众所周知，钢材的强度比较高。

钢材结构与钢筋混凝土结构相比，钢结构建筑的竖向构件截面面积小，这就一定程度的增加了建筑的使用面积。

同时，钢结构建筑的自身重量也比较轻。

因此，在遇到地震外力作用时，建筑内部的设计内力的减小，保证了建筑的稳定性，同时还能有效降低建筑物的施工造价。

3、塑性和韧性好。

在一般的压力的作用下，钢材是不会因超载而引起各种断裂和损害的。

钢材可以分配建筑内部各局部的作用力，这样就可以使建筑结构整体的应力变得平衡，而这样的结果只是增加了应变值而己。

总体来说，钢材结构的塑性和韧性都是比较好的，这就使钢材适应荷载的能力比较强，特别是在强震作用下，钢材结构都能保持较好的整体性，对于用其它材质结构做建设的建筑物的抗震能力要强很多。

二、石油化工钢结构设计常见问题及措施
1、设计桁架时计算角钢腹杆焊缝未进行内力分配。

角钢与节点板之间的两条焊缝（肢背焊缝、肢尖焊缝）受力并不是相等的，角钢的轴力应进行分配后再计算焊缝的连接强度计算，以等边角钢为例，肢背处的焊缝承担70%的内力，肢尖处的焊缝仅承擔30%的内力，把力均分后计算出来的焊缝长度对于肢尖处的焊缝有富余，对于肢背处的焊缝又不足。

2、未注意到单面连接的单角钢设计时的特殊性。

桁架上弦水平支撑、轻型桁架腹杆、柱间支撑常用单角钢作为受力构件，按照我国现行规范，单面连接的单角钢与节点板之间的焊缝强度设计值应乘以0.85的折减系数，计算轴心受压状态下的稳定性时，角钢的强度设计值应乘以一个与长细比有关的折减系数，但考虑了这个折减系数后，可以不再考虑弯扭效应。

3、对寒冷地区钢结构抗脆断措施没有足够重视。

北方地区的管带、构架设计工作温度可以达到零下20℃，结构设计时，应尽量增加措施减少结构的应力集中，尤其是焊缝不宜过于集中。

下面是几条常见措施：桁架节点板上，腹杆与弦杆相邻焊缝焊趾间净距不宜小于2.5倍的节点板厚度，T形对接的节点板对接焊缝处，节点板两侧宜做成圆弧状并打磨，对接焊缝的质量等级不低于二级，构件拼接部位，拼接构件自由段的长度不小于5倍拼接件厚度。

4、利用构件计算工具箱计算混凝土基本构件配筋时遗漏了构件自重工具箱里有一项是输入构件的计算长度，但程序并不根据这个计算构件本身的重量，构件自重产生的内力应由用户计算出来，与荷载产生的内力叠加后作为最终内力输入程序。

三、石油化工钢结构设计
（一）结构布置
钢结构的结构体系包括框架结构、框架-支撑结构、筒体结构、平面桁结构、网架（壳）结构、索膜结构、轻钢结构、塔桅结构等。

对结构体系进行选择时，应对其特点加以考虑，比如在轻型钢结构工业厂房中，如果悬挂荷载较大时，可不用门式刚架结构而使用网架结构，建筑设计允许范围内，在框架中设置支撑来提升结构刚度，通常获取的经济性比普通刚性连接节点框架好，至于屋面覆盖跨度较大的建筑，可采用悬索或索膜结构体系，其构件以受拉为主，高层钢结构设计中，钢-混凝土组合结构使用的较多，来对钢结构本身的缺陷进行弥补，提升结构性能。

布置结构时应按照结构体系的特点、建筑物荷载分布的情况、特性等综合进行考虑。

通常，结构的布置刚度应该均匀，力学模型清晰，荷载以最直接的路径传递到基础。

同时，结构布置应依据灵活多变的实际情况。

如布置框架结构中次梁，通常为减小截面而沿短向布置次梁，但会导致主梁截面加大，所以使楼层净高减小。

为防止该问题，可对其荷载传递方向进行调整。

（二）支撑设计
一般在钢结构中采用支撑提升结构或构件的稳定性。

合理布置支撑体系能很好的对承重构件内力分布情况进行优化，能很好的对整体刚度分布进行改善，使结构薄弱环节加强，结构整体能共同抵御水平荷载，特别是地震。

通常，支撑体系的设计需要遵从下列原则：
1、明确、合理地传递纵向荷载。

2、确保结构体系平面外的稳定性，给结构和构件的整体稳定提供侧向支点。

3、结构安装简单。

4、符合必要的强度、刚度要求，连接要可靠。

柱间支撑一般运用十字交叉式。

柱间如果有运输、通行域、放置设备等要求，可运用门架式柱间支撑和单斜式柱间支撑。

另外，还有人字形、K形、L形等支撑形式，在相同用钢量下针对常用的支撑体系，十字支撑体系和人字支撑体系能有效提高结构侧向刚度的作用。

（三）节点设计
设计连接节点是设计过程中十分关键的环节，节点设计是否得当，对确保结构的整体性、可靠度及建设周期和成本有很大的影响。

设计结构时，分析结构的过程中应确定好节点形式，依据结构构件的选用，传力特性的不同对倒地用刚节点、铰节点还是半刚节点进行判断。

针对焊接节点，焊缝的尺寸和形式应满足我国现行规范的规定。

此外，焊接设计中应对焊缝的重心尽量与被连接构件重心接近充分考虑。

至于栓接节点，一般螺栓因为抗剪性不好，只能运用在结构次要部位。

连接板可简单取其厚度为梁腹板厚度加1mm，然后按我国现行规范进行相应验算。

此外，节点设计应考虑制造）的工艺水平、施工空间及构件吊装顺序等，尽可能让工人方便进行现场定位与临时固定。

四、工程实例
工程于1985年底设计，管架长为180m，天然地基，基础独立，上部是钢结构，跨度12m，柱间距为9m，标准跨使二层，部分三层架空冷器。

这次的改造拟在原本管架上新增了一层，并适当的调整了原有管架的管线。

（一）原有设计
原来的设计图纸包含管廊结构布置图和钢结构工厂制作图，结构设计根据均按上世纪80年代规范条款。

其中，钢结构构件材料等级为I级钢（A3F），等同于Q235F钢材等级，基础混凝土为#150标号混凝土，等同于于C15标号混凝土，而原钢筋等级一级钢A3F、二级钢16Mn对应为HPB300及HRB335。

原管廊5m 和7.5m为管道支承层，轴向桁架连接支承管道的钢结构横梁，传力至钢柱及基础。

在E58.5～E45.7轴及E119.5～E131.5轴处12m设置钢平台及空冷机支架，并设置垂直支承在这两处轴线处作为固定跨，用以承受因为管道热胀冷缩等因素形成的水平力。

对原设计图多次管廊现场核，发现因为设计年代久加上产能的提高，业主在将近30年的结构使用年限之中多次进行改造，如果要新添加管道便在管廊上设支架，造成与原有设计存在较大差距。

（二）现场实际情况
1、结构使用年限长，涂装维修时间长，厂区生产产品有酸性介质，导致现场钢构有涂层起皮、锈蚀问题，对耐久性造成影响。

2、如果临时或永久管线由业主自行添加，管线的走向若遇水平支撑等钢构件时会自行将构件或节点板切割，破坏了结构造。

在前期部分钢柱增加管线时已经贴板加固，这些贴板加固的构件现场锈蚀很严重。

3、参考原工艺管道图发现，现场管线布置走向与原设计有差异，导致原管廊结构受力情况计算模型与实际背离，所以无法按原管道设计图，必须以现场实际管道情况来统计荷载，再计算钢构件。

4、因为长期腐蚀，钢结构构件有效截面积在原截面面积基础上进行折减，所以在计算模型中净截面系数取0.85对结构的承载能力进行设计。

计算模型中的控制指标按现行规范要求控制。

五、工艺管道改造
在實际改造时，工艺管道要求在12m加设一层管道支架来对标高12m上下的管道进行支撑，见图1云线处。

（一）结构布置
为了与原来的结构保持统一的设计风格，参考原来的结构布置图，设计方案初步为在12m加设一层轧制H型钢横梁，其截面为HN600×200×11×17，材料为Q235B，连接钢柱的方式为刚接。

计算分析，该加固方式符合构件强度运算和挠度运算，节点制作较简单，钢梁与钢柱要现场进行剖口焊接，在保证施工质量的基础上可符合管廊加固的要求。

绘制结构施工图后，进行现场放样，在核对的过程中发现，在12m标高钢架下要新设的管道，加上保温后的直径较大，与新增的H型钢梁碰撞，且受现场施工空间限制，梁柱刚性节点进行焊接施工难度大，很难符合设计要求。

经方案讨论，改为新增钢梁下挂桁架的形式，见图2。

计算得出，采取此形式可以有效控制结构的挠度，工艺管道可以穿过桁架内，结构三维在建模后和工艺专业进行模型检查时很好地防止了管道的碰撞现象。

新增桁架与原来的钢柱连接方式是双角钢夹板螺栓连接，这种方式防止了在原结构上进行焊接，并明确了施工方施工过程中应用机械钻孔方式，防止在改造时破坏原有结构造。

（二）节点计算
在原管架上部增设桁架整体进行计算后，对柱脚节点参考原设计图纸的资料表示为M27的Q235地脚锚栓，钢柱柱脚的计算模型运用刚接柱脚，计算得出：
柱底弯矩设计值M：200kN·m。

轴向压力设计值N：140kN。

偏心距e==1428mm
参考原设计图，见图3，柱脚底板几何信息得：弯矩M作用方向长度L为650mm，受拉侧底板边缘至受拉锚栓中心距离It为65mm，非弯矩作用方向长度B为700mm。

柱底板计算：
x=e-=1428-=1103mm
==1.70
==0.3%
其中，为受拉侧锚栓总有效面积，计算结果为459.4mm2。

查图4得=0.25，底板受压区长度Xn=169mm。

求受拉侧地脚锚栓的总拉力：
==102.3KN
单个M27地脚锚栓抗拉承载力为：
RTa=×=459.4×140=64.31KN>Ta/3
其中，为Q235螺栓的抗拉强度设计值，查钢结构设计规范得140MPa。

Q235材质地脚锚栓的fy为235MPa，屈服拉力为108kN，假设地脚螺栓超出了受拉承载力极限64.31kN而达到了其受拉屈服极限108kN，这种工况情况下地脚螺栓无法再承担拉力，螺栓进入屈服阶段却还不能到达极限状态，加设的刚性柱脚计算假设已不适用，从而柱脚的计算模型程了铰接。

对铰接柱脚模型状态计算时上部结构依然能够符合承载力设计需求。

计算得出柱底剪力设计值为75kN，查表得单个M27螺栓的抗剪承载力即为75kN，所以柱脚仍可按原设计进行抗剪，因此无需对原设计柱脚加固。

（三）基础设计
原来基础部分的设计运用的是独立式基础，确定原来的勘察资料和这次扩建勘察资料未修正②层土持力层地基承载力为160kN，修正后为200kN。

基础布置如图5。

在原来的设计图纸中，台阶高宽比是：
一阶：900/600=1.5，二阶：800/600=1.33。

大于混凝土刚性基础的宽高比限制，所以无法定为刚性基础。

假设只采用刚
性基础允许的宽高比来对承载力进行验算，基础埋深 2.5m，基础底面积为3.2m×4m，上部结构传至基础的控制工况标准组合设计值为：
Fk=855.00kN
Mkx0=150.00kN·mMky0=0.01kN·mVkx=-50.00kNVky=241.00kN
此时地基最大反力73kPa，比地基基承载力特征小。

由于原基础只注重刚性基础部分，其底面积已符合设计要求，则假设不把原基础超出刚性基础宽度的混凝土部分不计入计算，基础根据刚性基础来对其底部钢筋进行计算，并无最小配筋率的要求，因此不用将基础底板配筋增加来满足新规范对于基础最小配筋率0.15%的要求。

（四）加固措施
1、针对长期腐蚀导致结构严重损伤的构件，在损伤处贴板加固，加固板可采用Q235B材质，厚度可与原有构件板厚一致。

2、针对腐蚀导致构件表面破坏但结构无严重损坏的构件，应先打磨腐蚀处进行抛光处理，再根据项目设计结构总说明中的规定涂装构件底漆及面漆。

3、因为提高荷载而让节点区应力提高的节点，计算后对节点加固方式确定。

单剪板铰接节点，在卸荷的基础上添加雙剪板使之增大受剪承载力，接刚接节点添加与梁相同截面的腋角，增大抵抗节点域弯矩的能力。

（五）施工要求
该项目是改造工程，要依据现场具体情况来对设计方案进行完善，对施工方而言，改造中很可能遇到更多问题。

设计方需考虑下列几点施工要求：
1、施工图设计的节点，在具体安装之前应经过钢结构厂或详图设计公司的放样绘制制造图，在绘制制造图时要求对原有节点和现有节点间的关系进行考虑，参照原来的设计图或者实际的现场勘察数据，确保无误后再下料制作。

2、除去通常钢结构施工要求，在原来结构上开螺栓孔时明确要求机械钻孔，在焊接原结构构件时要采取保护措施。

3、原有结构由于长时间腐蚀或因施工导致的破坏要修补，未根据新规范要求对原有结构的防火、防腐部位进行保护。

4、在施工时考虑到改造可能在业主不停产的情况下进行，因此施工单位在组织施工时必须要由业主认可。

六、结语
石油化工钢结构在设计的时候应结合行业特点，灵活运用结构设计软件，按照设计规范严格设计，从而使其能够达到经济合理、技术先进、安全可靠效果。

参考文献：
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