石化项目中料仓框架设计

石化项目中料仓框架设计
基于料仓框架在石化项目中的实际应用，以延安煤油气资源综合利用项目中的料仓框架设计为例，阐述了料仓框架在石化设计应用中比较关注的几个重要方面，为同类料仓框架的设计、校核提供具体和实用的参考。

标签：料仓框架；空间整体作用；地震附加荷载；抗震验算
钢或铝制大型料仓在石油化工行业中有着广泛的应用。

这种设备重心高，直径大，本身刚度较大，而且在地震及风荷载作用下料仓本身产生附加荷载作用于支撑框架上，尤其当多台料仓组合到一起时，框架的受力更加难以把握。

本文根据工程实例，通过PKPM结构设计软件，用三种不同分析模型进行了比较，总结出了一些安全可靠的计算方法。

1 工程背景
1.1 项目概况
本工程为延安煤油气资源综合利用项目的掺混料仓框架，建设地点位于陕西省富县。

1.2 工程基本条件
根据项目工程场地地震安全性评价报告，相应于设防烈度的设计基本加速度为0.067g，地震动反应谱特征周期为0.42s；抗震设防烈度为6度（第二组）；基本风压值取0.35kN/m2。

1.3 工艺布置
框架顶标高12.6m，；框架结构平面尺寸为19m×28.5m，纵横两方向柱距均为9.5m；框架上共支撑6台相同料仓，单台直径8m、高24m、容积1×103m3、设备重45t、物料重575t。

2 方案设计
料仓框架通常采用钢筋混凝土和钢结构两种结构形式，由于钢筋混凝土框架本身能提供较大的侧向刚度，无需布置柱间支撑，并且材料价格较低。

所以，本工程选择钢筋混凝土框架作为料仓的支撑结构。

3 荷载及荷载组合
3.1 恒载与活载
料仓框架所受恒荷载主要包括框架自重、倉体自重、管道及仓顶平台等附件重。

作为群仓结构，物料量的改变会引起框架梁各点出现相应的峰值，如跨中弯矩的峰值出现在本跨和隔跨满罐时。

所以在PKPM中料仓中的物料重应按活荷载输入，这样可以考虑由于物料活载的不利布置对梁弯矩的增大作用。

3.2 风荷载
单台料仓的风荷载体型系数为0.6，多台料仓组合时，背风料仓受到迎风料仓的影响，故风荷载的体型系数需要综合考虑。

群仓的体型系数与仓距、仓径有关，本工程横向两台料仓，距离较近，整体的体型系数取0.68。

纵向属于密排多仓，整体的体型系数取1.4。

此外，上部料仓所受风荷载对框架支座产生的弯矩需要转化为对料仓支撑梁的附加荷载，附加荷载是一对大小相等、方向相反的力偶。

在水平地震作用下，同样会产生对支撑梁的附加荷载。

3.3 荷载组合
在PKPM中，活载分项系数要修改为1.2，活荷载折减系数取1.0。

由于地震荷载应按全部满仓时考虑，因此活荷载的重力荷载代表值组合系数相应地修改为1.0。

4 结构设计
4.1 计算模型
目前行业内还没有一种软件能够准确地模拟出一个实际的模型，把料仓、物料和底部框架三个质点的三种振动形式通过计算求解出来，从而获得各质点所受的地震作用。

所以在PKPM中，对料仓支撑结构的自振特性与地震作用的分析计算是在简化模型基础上进行的。

本工程采用了三种简化的计算模型，下面分别进行介绍。

4.1.1 料仓参与框架计算的模型
将料仓模拟成一个等刚度、等直径、等高度的圆环混凝土墙。

因为料仓的操作重量大于混凝土墙的重量，所以需要将多余的荷载加到混凝土墙上。

由于物料在料仓中是均匀分布的，所以需要将混凝土墙尽量多分几层，每层的楼板厚度输入为零，再把每层实际的物料重以活载的方式输入到每一层中去。

顶层没有物料，所以只以恒载的形式输入料仓顶盖的质量。

用上述方法将每层的物料荷载集中到楼层处时，会使荷载分布与实际情况产生误差，为了降低这种误差，应在楼层划分时尽量保证物料荷载的重心位于料仓的高度中心，这样模拟的质量分布与实际情况最为接近。

根据等刚度、等直径的原则，可以计算出混凝土墙的厚度，计算方法如下：
ESπ（D14-D24）/64=Ecπ（d14-d24）/64（式1）
ES、Ec分别为料仓设备筒体和混凝土的弹性模量，N/mm2；D1、D2分别为料仓的外径与内径，m；d1、d2分别为混凝土墙的外径与内径，m。

设定d1=D1，带入式1中，可以求出混凝土墙的内径d2。

经过计算得出本工程等效混凝土墙厚度为50mm。

在PKPM建模过程中，为了在模型中正确模拟实际的受力状态，在混凝土墙下加上一层高度很小的立柱，其底部设置为铰接，立柱之间通过框架梁连接，混凝土墙直接坐在这层框架梁上。

这样可使墙与支撑梁分开，料仓荷载通过立柱传递给支撑料仓的梁。

4.1.2 直接加荷的模型
这种方法是直接建立钢筋混凝土框架模型，模型中并不包含料仓装置，而是把料仓与物料的荷载直接施加到框架上。

4.1.3 人工模拟拉压力的模型
此模型是在方法二模型的基础上又施加了由风或地震引起的附加荷载，所以如何在模型中输入附加荷载成为关键。

在地震作用下，水平地震力和风荷载一样，同样会转化为对料仓支撑梁的附加荷载，其形式如图1所示。

附加荷载的计算方法如下：
M=αGeqHn（式2）
F=M/D（式3）
式中：M为水平地震作用对支撑梁产生的弯矩，kN·m；α为相应于基本自振周期的水平地震影响系数值；Geq为料仓重力荷载代表值，kN；Hn为料仓重心到底部支撑点的垂直距离，m；F为附加荷载（简称拉压力），kN；D为支撑点的最大距离，可近似取料仓的直径。

这里需要注意的是X、Y方向的附加地震力是相互排斥的，因此需要对X、Y方向的地震作用分别计算，取不利的情况作为框架梁截面内力。

在PKPM软件中，竖向负荷载在计算地震作用时并不计入重力荷载代表值，而压力会参与地震反应谱分析，因此如果在模型中输入拉压力再进行抗震验算的话，那么计算出的地震力是偏大的。

所以此模型不计算地震作用，只用来对支撑梁进行截面设计。

4.2 设计结果
4.2.1 结构整体设计
方法一中，料仓荷载的竖向分布与实际情况比较接近，而且模拟了料仓对框架结构振动的影响，所以这种方法计算出的周期与实际周期是比较接近的。

方法
二把料仓荷载全部集中到了框架顶标高处，质量分布发生了改变，重心降低，这样使得结构的振动周期减小。

两种模型计算出的自振周期如表1所示：
通过计算结果可以看出，方法二的周期要比方法一的略小，地震力偏大，但是考虑到地震的不确定性，可以作为安全储备，这种误差是可以接受。

所以方法二的设计结果可以用于柱下基础的设计及结构侧移控制。

方法一模拟了实际的质量与刚度分布，其结果可以用作结构的整体倾覆及整体稳定计算。

4.2.2 构件截面设计
方法三考虑了附加荷载的作用，通过计算结果的比较，可以看出其构件的受力要大于其它两种方法，所以方法三的结果应该用于构件的截面设计。

这里需要注意：相邻料仓的储料情况可能并不相同，这样就会导致各个料仓的自振周期也各不相同，在地震情况下同一时刻各自的振动形式不同，所以同一时刻相邻料仓振动方向的组合将影响到其共同支撑构件的计算结果。

本工程以料仓设备在与支撑梁方向垂直的方向上进行相对运动时的组合作为最不利组合，进行支撑梁的截面设计。

5 结论
①模拟料仓装置的方法计算的自振周期比较接近实际情况，该方法能很好的模拟出框架与设备之间的关系和质量分布，其结果可以用作结构的整体倾覆及整体稳定计算；②采用直接输入荷载的方法计算时，自振周期要比实际情况偏小，地震力偏大，可以作为安全储备，设计结果用于柱下基础的设计及结构侧移控制；
③在模型中输入附加荷载，需要考虑相邻料仓振动方向不同的组合来进行支撑梁的截面设计。

参考文献：
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[3] HG/T20674-2005.化工、石化建（构）筑物荷载设计规定[S].北京：中华人民共和国住房和城乡建设部，2005.
[4] GB50009-2012.建筑结构荷载规范[S].中华人民共和国住房和城乡建设部，2012.。