某轻烃厂120.1m高火炬钢塔架结构设计浅析

某轻烃厂120.1m高火炬钢塔架结构设计浅析
摘要：结合中石油某轻烃厂实际工程项目，以120.1m高火炬钢塔架结构设计为例，阐述了塔架的平立面结构布置原则，以及塔架结构计算应考虑的荷载种类和荷载组合，并采用有限元软件3D3S对塔架结构进行计算分析，对周期、位移及应力比等计算结果分析表明，风荷载效应对整体计算结果起控制作用。

关键词：荷载组合；风荷载；自振周期；位移；应力比
1 工程概况
中石油某轻烃厂，设置1座高压和1座低压放空火炬，高压火炬筒体直径为950mm，壁厚34mm，火炬头直径5.0m，高4.0m，重7t；低压火炬筒体直径600mm，壁厚32mm，火炬头直径1.0m，高4.0m，重3t。

2座火炬相距4.2m，总高度均为127.1m，共用1座火炬塔架，火炬塔架高度取120.1m。

本工程所在地区抗震设防烈度为6度，场地类别为Ⅱ类，基本风压取为0.45kN/㎡（100年一遇），地面粗糙度为B类。

设计使用年限50年，塔架主体结构安全等级为一级，抗震设防类别为乙类，抗震等级为三级。

基础采用桩基础，设计等级为甲级。

2 塔架平立面结构布置
2.1 塔架平面布置
本工程塔架平面形式采用正方形，塔架根开取塔架高度的1/5~1/8，但不宜小于1/10。

由于本工程火炬头直径较大，考虑工艺安装和后期检修维护要求，塔架顶部检修平台尺寸取9.0mX9.0m。

综合考虑塔架底部区域的附塔管线布置、管架布置、爬梯位置及顶部检修平台尺寸等因素，塔架下部根开取25mX25m。

2.2 塔架立面布置
本工程塔架高度120.1m，沿立面设2处折点，分别在标高22.3m和66.3m处，塔柱坡度沿高度共变化3次，最后一段（66.3m~120.1m）为垂直段。

塔架下部采用人字形斜杆腹杆体系，两塔柱之间设置连续横腹杆，上部采用交叉斜杆腹杆体系。

塔架结构平立面布置见图1。

图1 塔架平立面布置图
3 塔架荷载计算
3.1 荷载种类
本工程塔架的主要荷载取永久荷载、可变荷载和偶然荷载。

1）永久荷载：塔架自重、梯子自重、检修和休息平台自重及附塔管线自重；
2）可变荷载：
风荷载：塔架结构本身，以及附塔管线和火炬筒对塔架产生的风荷载；
裹冰荷载：该地区属于重覆冰区，基本裹冰厚度按20mm考虑；
休息平台活荷载：2.0kN/㎡，共5处；
检修平台活荷载：6.0kN/㎡，位于塔架顶部；
温度作用：按升温55°、降温-35°考虑。

3）偶然荷载：地震作用。

3.2 荷载组合
塔架计算应考虑承载能力极限状态和正常使用极限状态，荷载效应的组合应采用基本组合、偶然组合和标准组合。

且应主要考虑下列工况的最不利荷载效应组合：
1）1.00 恒载 + 1.40 风荷载
2）1.20 恒载 + 1.40 风荷载+ 1.40 x 0.70 检修荷载
3）1.00 恒载 + 1.00 风荷载+ 1.00 x 0.70 温度荷载
4）1.20 恒载 + 1.40 x 0.70 检修荷载 + 1.40 x 0.60 风荷载 + 1.00 x 0.60 温度荷载
5）1.00 恒载 + 1.00 x 0.70 检修荷载 + 1.00 x 0.60 风荷载 + 1.00 x 0.60 温度荷载 + 1.00 裹冰荷载
6）1.20 恒载 + 1.40 x 0.60 风荷载 + 1.30 x 0.50 水平地震 + 1.00 x 0.60 温度荷载
本工程正方形塔架风荷载考虑两个风向，一个是0°，一个是45°风向，如图2所示。

图2 正方形塔架风向示意
3.3 塔架计算
塔架静力分析可采用整体空间桁架模型，利用有限元软件3D3SV14计算，由于本工程塔架抗震等级为三级，不需要考虑动力分析。

4 计算结果分析
经计算分析得知，风荷载效应对塔架整体设计起控制作用。

杆件内力起控制作用的荷载基本组合为1）、2），此时风荷载作用方向为0°；塔架整体位移起控制作用的荷载标准组合为3），此时风荷载作用方向为0°；塔架桩基础设计起控制作用的荷载标准组合5），此时风荷载作用方向为45°。

4.1 基本自振周期
本工程火炬塔架结构基本自振周期计算结果如表1，其计算结果与规范上简化公式T=（0.007~0.013）H=1.6523s非常接近。

表1 自振周期
自振周期（s）塔架本体（不含火炬筒）塔架+火炬筒
T 1.6972s 1.7146s
表1计算结果表明，考虑火炬筒质量和刚度，塔架质点的质量增加，塔架自振周期增大。

因此模型计算中应按实际情况，选取塔架和火炬筒共同作用，正确计算塔架基本自振周期。

4.2 位移
本工程塔架水平位移，取在风荷载或地震作用下，塔架任意一点的最大水平位移不大于
该点距地面高度的1/150。

经计算，风荷载效应起控制作用，最大水平位移为150.505mm。

经原因分析，是由于塔架底部根开较大导致塔架整体刚度偏刚。

4.3 应力比
本工程，火炬塔架钢管材质采用Q345E，该截面形式有利于减小风阻。

截面选择时按照
塔柱应力比限制0.5，斜杆及横杆0.7，其它杆件0.75来考虑。

经计算，塔柱、斜杆、横杆及横隔等杆件的最大应力比如表2。

表2 杆件最大应力比
杆件类型塔柱斜杆横杆横隔
最大应力比 0.43 0.67 0.64 0.34
表2计算结果表明，塔柱、斜杆及横杆应力比较大，受应力比控制；横隔应力比较小，
受长细比控制。

同时，可以看出塔柱应力比小于横杆应力比，这也符合强柱弱梁的原则。

经分析，塔柱最大应力比出现在第一层折点处（标高22.30m），斜杆最大应力比出现
在第四层折点处（标高66.30m），说明折点处应力较大，应对折点处上下截面进行加强。

横
杆最大应力比出现在顶层位置，这是由于火炬头质量和风阻较大导致。

5 结语
1）当有多跟火炬筒共用一个塔架及火炬塔架高度较大时，平面宜采用正方形，立面宜
采用折线形，但折点数量不宜过多。

2）火炬塔架属于高耸结构，内力及位移主要受风荷载效应控制。

3）当塔架顶部检修平台尺寸较大时，塔架刚度偏刚，整体计算水平位移较小。

4）塔架截面选择时，塔柱、斜杆及横杆一般受应力比控制；横隔受长细比控制。

5）塔架折点处应力较集中，应对折点上下杆件截面进行加强。

参考文献：
[1]SH/T 3029-2014，石油化工排气筒和火炬塔架设计规范[S].
[2]GB50135-2006，高耸结构设计规范[S].
[3]张洪波. 火炬塔架结构设计浅析.山西建筑，2005，31（19）：69-70.
[4]王志军. 排气筒塔架结构设计. 建筑技术开发，2012，39（8）：17-19.
[5]杜成云等. 115m火炬塔架结构设计与分析. 工业建筑，2009增刊，845-849。