石油化工钢结构设计常见问题及对策.pdf

第 4 2 卷 第 3期 2 0 1 3年 3月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a 1 I n d u s t r y V 0 ] ． 4 2 ．N O ． 3 M a r c h 。 2 0 1 3 石油化工钢结构设计常见问题及对策 闫素美，伊 震，潘新莹，李 勇 中国寰球工程公司辽宁分公司，辽宁 抚顺1 1 3 0 0 6 摘 要石油化工类土建结构设计面临的任务往往比较繁杂，其中又以钢结构居多，而设计人员常常将 P K P M软件的结果不加推敲就直接用于设计 ，但该软件主要面向民用建筑市场，不能很好的考虑诸多专业规范 的特殊要求，本文作者在实践的基础上总结 一些容易被忽略的常见问题，供同行参考。 关键词石油化工；钢结构设计 ；常见问题 中图分类号 T U 3 1 1 文献标 识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 3 0 3 0 3 5 6 0 4 Co mm o n Pr o bl e m s a nd Co un t e r m e a s ur e s o f S t e e l S t r uc t u r e De s i g n i n Pe t r o c he mi c a l I ndus t r y Ⅳ S u me i ， Y IZh e n， P AN Xi n - yi n g， LI场 HQC E C L i a o n i n g C o mp a n y ， L i a o n i n g F u s h u n 1 1 3 0 0 6 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e c i v i l e n g i n e e r i n g d e s i g n o f p e t r o c h e m i c a l i n d u s t r y i s u s u a l l y c o n f r o n t e d wi t h v a r i o u s k i n d s o f p r o b l e ms ， e s p e c i a l l y s t e e l s t r u c t u r e ． T h e d e s i g n e r s g e t u s e d t o d i r e c t l y a p p l y t h e r e s u l t s wh i c h a r e wo r k e d o u t b y t h e P KP M p r o g r a m i n t o t h e d e s i g n wi t h o u t c a r e f u l t h i n k i n g ． P KPM i s u s u a l l y c o n s i d e r e d a s a g o o d a s s i s t a n t i n c i v i l b u i l d i n g d e s i g n d o ma i n ， b u t i t h a s n ’ t c o n t a i n e d s p e c i a l p r o v i s i o n s i n c l u d e d i n p e t r o c h e mi c a l s t r u c t u r e d e s i g n c o d e s ．I n t h i s p a p e r ， b a s e d o n p r a c t i c a l e x p e r i e n c e s ， s o me c o mmo n p r o b l e ms t h a t a r e e a s i l y i g n o r e d b y d e s i g n e r s we r e s u mma r i z e d ， wh i c h c a n p r o v i d e s o me r e f e r e n c e s f o r t h e s t e e l s t ruc t u r e d e s i g n i n fut u r e ． Ke y wor ds Pe t r oc he mi ca l ；De s i g n of s t e e 1 s t ru c t ur e ；Co mmo n p r obl e ms 在石油化_T设计 中，常规结构设计应力求完全 符合 国家规范 。 、 行业规范 的条文要求 ，目前 ，由 于近年来国家大量投入石油化工装置建设 ，并且 ， 设计任务往往存在工期紧 、任务量大 、反复修改的 特点 ，加上绘 图工作量大 ，设计人员真正用来进行 计算 、校核电算结果的时间少之又少 ，更谈不上静 下心来研读、琢磨规范，这导致一些不合规范的错 误时有发生，且流传广泛 ，给结构留下了许多安全 隐患。定期对 自己的图纸 、计算书进行总结不失为 解决这种不良现象的一个好方法 。 笔者归纳了一下产生问题的原因，大致可以分 为以下几类 1 忽视了规范的细节 。 这些细节可能分散在 规范各章各条不醒 目的地方，甚至分布在不同的规 范里 ，再加上不是强制性条文，因此极易被设计者 忽视。 2 已经有了新规范忙 j ， 但认识还没有更新， 没能及 时研读新规范 ，设计时仍沿用 旧规范。 3 不 了解程序内部的一些假定 ， 总以为程序 默认 已经考虑好了。 4 设计者认为规范个别条文要求过严 ， 总以 为以前也是这么做 的，也没见出事 ，所 以，以后这 么做也没有 问题。下文本人将列举一些常见的设计 问题 ，并提出实用的解决方法。 1 常见问题及对策 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 问的两条焊缝 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 7 0 ％ 的内力 ，肢尖处 的焊缝仅 承担 3 0 ％ 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 、柱问支撑常 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 ． 8 5 ⋯ 的折减系数 ， 计算轴心受压状态下的稳定性时， 喜 器 2闫0 1素 3 美- 0 2-12096 2 一 ， 女 ． 辽 宁 抚 顺 人 ， S - 程 师 ， 1 98 3 年 毕 业 于 抚 顺 城 建 学 校 Z- 民 建 专 业 ， 目 前 从 事 结 构 设 计 Z- 作 。 作 者 简 介 闫 素 美 1 一 ， 女 ， 辽 宁 抚 顺 人 ， 程 师 ， 1 年 毕 业 于 抚 顺 城 建 学 校 民 建 专 业 ， 目 前 从 事 结 构 设 计作 。 E -m a i l y a n s u me i h q c e c ． c o m。 第 4 2卷第 3期 闰素美，等石油化工钢结构设计常见问题及对策 3 5 7 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 c 寸 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 2 0℃，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 川 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 未进行刚接节点节点域抗剪强度验算 具 体 计 算 参 见钢 结 构 设 计 规 范 G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 7 ． 4 ． 2条。P K P M2 0 0 5版具有进行 此项计算的功能，但是， 。 对于两侧均有刚接梁的柱 节点域 ，程序计算是不准确的。此时，计算公式中 的弯矩是指两侧梁端弯矩的代数和 这意味着顺时 针弯矩会和逆时针弯矩相互抵消 ， 但程序计算时直 接将两侧弯矩绝对值相加 ， 这种做法显然过于保守 。 使用 P K设计时建议按这条规范补充手算，如果节 点域强度不满足要求 ，应对柱节点域腹板局部加厚 或者设置斜向加劲肋 ，也可 以采用梁端加腋的方式 扩大节点域范围。 对 于需要进行抗震验算的钢结构 ， 尚应按 建筑抗震设计规范 G B 5 0 0 1 1 - 2 0 1 0 8 ．2 ． 5 条 、8 ． 2 ． 8 条进行节点验算 。 下面给出了份较为完整的梁柱刚接节点计算书。 节点设计基本资料 节点类型为 梁H 柱强刚全焊接 梁截面 H一 2 0 0 X 2 0 0 X 8 1 2 ， 材料 Q 2 3 5 柱截面 H一 3 0 03 0 0 X 1 01 5 ， 材料 Q 2 3 5 梁腹板角焊缝 焊脚高度为9 m m； 梁翼缘对接焊缝 焊缝长度为2 0 0 mm；焊脚高 度为1 2m m； 焊缝等级为一、二级； 采用引弧板 ； 节点示意图如图1 。 一 一 图1 节点示意 F i g ． 1 No d e s c h e ma t i c d i a g r a m a ． 节点内力 剪力 V 3 0 k N 弯矩 M- 8 0 k N m b _ 内力分配 对接焊缝惯性矩 2 0 0 x 1 2 3 ／ 1 2x 1 0 ～ 2 0 0 x 1 2 x9 4 2x 1 0 2 0 0 1 23 ／ 1 2x 1 0 一2 0 0 x 1 2 x9 4 21 04 4 2 4 7 ．0 4 c m 角焊缝惯性矩 ／ 2 6 ． 3x 7 3 3 ／ 1 2x1 0 4 6 ． 3x7 3 3 ／ 1 2x1 0 4 0． 8 4 7 c m4 翼缘对接焊缝承担 的弯矩为 I l ／ I 1 I 2 M 4 2 4 7 ． 0 4 ／ 4 2 4 7 ． 0 4 4 O ． 8 4 7 8 0 7 9 ． 2 3 8 k N m 腹板角焊缝承担的弯矩为 ／ f M 4 0 ． 8 4 7 ／ 4 2 4 7 ． 0 4 4 0 ． 8 4 7 x 8 0 0 ． 7 6 21 k N m 腹板角焊缝承担的剪力为 V 2 3 0 k N c．翼缘对接焊缝验算 弯矩 M 7 9 ． 2 3 8 k N m 焊缝长度为2 0 0 mm；焊脚高度为1 2 mm； 焊缝等级为 一 、二级 ； 采用引弧板 ； W 2 0 0 x 1 2 3 ／ 1 2 x 1 0 一 2 0 0 x 1 2 x 9 4 2 x 1 0 一 2 0 0 1 2 3 ／ 1 2 1 0 2 0 0 x 1 2 x 9 4 2 x 1 0 4 1 1 0 ／ 9 4 451 ． 81 3 c m a M - I l ／ 7 9 ． 2 3 8 ／ 4 51 ． 81 3l 0 0 01 7 5 ． 3 7 8 N／ mm y 向弯矩为零 ，a M O N ／ mm 最大拉应力 6仁G脾 。 6 01 7 5． 3 78 0 1 7 5 ． 3 7 8 N／ mm 最大压应力 6 6 肛o 一 0 1 7 5． 3 7 8 0 一1 7 5． 3 7 8 N／ mm d ． 腹板角焊缝验算 剪力 v , 3 o k N 弯矩 0 ． 7 6 2 1 k N m 焊脚高度为9 m m； 强度设计值 f l 6 0 N ／ mm 轴力为零 ，6 肚 0 N ／ m m [ 6 ． 3 x 7 3 3 ／ 1 2 x 1 0 4 6 ． 3 x 7 3 3 ／ 1 2 x 1 0 ] ／ 4 5 ． 5 ’ 1 08 ． 9 7 7 c m。 M MJ I V O ． 7 6 2 1 ／ 8 ． 9 7 7 x 1 0 3 8 4 ． 8 9 N／ mm 晌 弯矩为零 ，e M ON ／ m m 胸 剪力为零， 0 N ／ m m A t 6 ． 3 x 7 3 ／ 1 0 0 6 ． 3 x 7 3 ／ 1 0 0 9 ． 1 9 8 c m r y V I A , 3 0 1 9 ． 1 9 8 X 1 0 3 2 ． 6 1 6 N ／ mm 化 工 2 0 1 3年 3月 r ma x J ， I r 0 3 2 ． 6 1 6 N ／ ra m 焊缝组合应力 6 【 o 4 o a 2 ／ 1 ． 2 2 2 r 2 ] 。 [ 0 8 4 ． 8 9 0 2 ／ 1 ． 2 2 2 3 2 ． 6 l 6 。 7 6 ． 8 4 7 N／ mm e ． 节点域强度验算 V , 2 7 01 7 6 X 1 0 4 7 5 2 0 0 mm 3 ／ ／ 8 0 0 0 0 0 0 0 ／ 4 75 2 0 01 6 8 ． 3 5 N／ mm 4／ 3f ,4 ／ 3 X 1 2 5 1 6 6 N／ mm f ．节点抗震验算 抗弯最大承载力验算 [ 2 0 0 x 1 2 2 0 0 一 l 2 0 ． 2 5 x 2 0 0 - 2 x 1 2 2 x 8 ] x 2 3 5 x 1 0 - ％ 1 2 0 ．5 9 1 k N． m 梁截面抗弯最大承载力 Mu , [ 2 0 0 x 1 2 x 2 0 0 - 1 2 1 x 3 7 5 0 ． 2 5 x 2 0 0 - 2 x 1 2 - 2 x 0 2 x 8 x 3 7 5 ] x 1 0 ～ 1 9 2 ． 4 3 2 k N - l I l 翼缘对接焊缝和腹板角焊缝的抗弯最大承载力 Ma [ 2 0 0 x 1 2 f 2 0 O l 2 1 3 7 5 0 ． 2 5 x 6 ． 3 x 7 3 ／ 1 0 0 6 ． 3 7 3 ／ 1 0 0 1 7 3 3 7 5 2 ／ 1 ． 7 3 2 ] x 1 0 - 1 7 6 ． 4 6 9 k N i n 最大抗弯承载力 mi n ， M u 。 1 7 6 ． 4 6 9 kN 1 T I 1 ． 2 X 。1 1 4 4． 7 09 1 7 6． 4 6 9 抗剪最大承载力验算 1 ． 3 2 x 1 2 0 ． 5 9 1 ／ 6 O 0 0 x 1 0 0 0 5 2 ． 2 5 6 k N z 0． 58 x 1 7 6x 8x 23 5 ／ 1 0 0 01 91 ． 91 kN V ma x 5 2 ． 2 5 6 ， 1 9 1 ． 9 1 1 9 1 ． 9 1 k N 1 9 1 ． 9 1 k N 腹板角焊缝的抗剪最大承载力 f 6 ． 3 x 7 3 ／ 1 0 0 6 ． 3 7 3 ／ 1 0 0 1 3 7 5 ／ 1 ． 7 3 2 1 0- 31 99 ． 1 43 kN 1 91 ． 91 V u 1 9 9 ． 1 4 3 5 跨越管架设计时未考虑荷载放大系数 化 工 、石 油 化 工 管 架 、管 墩 设 计 规 定 H G ／ T 2 0 6 7 0 2 0 0 0第 8 ． 4 ． 1 条规定 跨越管架和紧邻 的第一个低管架的垂直荷载和水平力标准值均应分 别乘 以 1 ． 5 的放大系数。输入程序计算时，应该执 行本条规定。 6门式刚架设计时未复核有柱问支撑的柱脚 锚栓在风荷载作用下的上拔力 根据现行门式刚架规程 ， 必须进行柱间支撑的柱 脚锚栓在风荷载作用下的上拔力计算，这是一条强 制性条文 ，应该予以重视。 7忽略了焊缝最小长度的构造要求 钢结构设计规范 G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 第 8 ．2 ．7 条规定 ，角焊缝的计算长度不得小于 8倍 焊脚尺 寸和4 0 m m ⋯ 中的较大值。在一些柱脚节点设计中， 为避免焊缝交汇于一处 ，柱脚加劲板往往会切去一 角 ，这使得加劲板与柱脚底板的公共部分更短了 ， 此时， 如果选用大的角焊缝连接 ， 很有可能无法满足 这条规范要求 ，遇到这种情况，可以考虑选用较小 的焊脚尺寸 ，或者选用对接焊缝。 8 使用J C C A D计算带有支撑体系框架结构 J C C A D 2 0 0 5版 尚且不能读取柱问支撑的内力 ， 因此应该另行计算柱问支撑下面的基础 。 9 使用 P K计算格构柱时截面选择了型钢组 合截面 P K里既有型钢组合截面又有格构式截面，型钢 组合截面不需要输入缀条、缀板体系，格构式截面 会要求用户输入缀条缀板的几何信息，程序对两者 的验算很不相同 型钢组合截面实际上还是作为一 个完整截面验算强度、稳定性，而格构式截面将分 别验算整体强度、 整体稳定、 左肢稳定、 右肢稳定、 缀条稳定。可见 ，只有按格构式截面输入模型 ，才 能得到正确的验算结果。 1 0刑 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 后作为最终内力输人程序 。 1 1 在软件 S A T WE总信息中结构基本周期一 项输入不正确 在 S A T WE总信息风荷载信息页面中有一项 是结构基本周期 S 需要用户填写，当第一次进入 该页面时， 程序对结构没做计算，不可能知道结构 的基本周期 ，此处默认值使程序根据规范经验公式 给出来的，当完成一次结构计算后，最好查阅计算 结果文件 WZ Q ． O U T ， 找出结构计算 出来的那个最长 的平动周期 ，代 回再重新计算一次就可以了。这个 周期影响的只是风荷载计算 ，因此当结构对风荷载 敏感或者说风荷载可能起控制作用时，有必要告诉 程序准确的结构基本周期。 1 2 未对越层钢支撑作特殊处理 钢支撑在 S A T WE中是默认 为两端铰接的， 对于 越层钢支撑 ，用户常常忽略这一点 ，同样造成与同 一 节点相连的构件 这里为上下层的两段支撑 均 为铰接的情况 ， 为避免这种情况 ， 用户应在 S A T WE 前处理的 “ 特殊构件补充定义”中将越层支撑设为 两端固接 。另外 ，若把一个节点处所有构件均设为 铰接 ，这样就 出现了与同一节点相连的杆件均为铰 接的情况 ，这在程序中是不允许的。 第4 2卷第 3期 闻素美，等石油化工钢结构设计常见问题及对策 3 5 9 1 3 抗剪键计算时未考虑锚栓的有利影响 一 般情况下 ，当柱脚剪力大于 0 ． 4 倍的柱底轴 力 压力 时 ，应在柱底板下设 置抗剪键 。P K P M 钢结构计算模块也是这么处理的， 但对于刚接柱脚， 在大偏心弯矩弯矩作用下，柱脚的抗剪承载力宜计 入柱脚锚栓的有利作用，此时可取 V O ． 4 Ⅳ Z ，式中 Z为锚栓的总拉力。 1 4 低矮房屋风荷载未按门式刚架规程取值 门式刚架规程是专 门为低矮房屋设计制定的 ， 其 风荷载体形系数的相关取值更加合理，计算低矮房 屋风荷载时应按门规取值。 此处低矮房屋的定义为 a 、屋面平均高度不大于 1 8 m；b 、檐 口高度不大于 房屋的最小水平尺寸 ；c 、屋面坡度不大于 1 O 。 。 按两本规范计算出来的风荷载差别在于 对于迎风 面的风压力荷载规范取值较大，屋面和背风面的风 吸力门刚规程取值较大。 1 5 交叉柱间支撑计算长度系数未严格按规范 取值 化工、石油化工管架、管墩设计规定 H G ／ T 2 0 6 7 0 2 0 0 0虽然对柱间支撑作了规定 ， 但考虑到该 规范制订后国家发行了新版钢结构设计规范 ，在这 种情况下显然应该执行后来的钢结构设计规范。具 体规定详见 钢结构设计规范G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3第 5 ． 3 ． 2条。 1 6 未考虑桁架节点板在斜腹杆压力作用下的 稳定性 见 钢结构设计规范 G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 第7 ．5 -3 条。 1 7 双角钢 、 双槽钢截面拉压杆件 非格构式 之问未按要求设置填板 设置要求见 钢结构设计规范G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 第 5 ． 1 ． 5条。 1 8股 计文件中对三面围焊角焊缝未提出要求 杆件端部搭接采用三面围焊时， 为避免应力集中 的影响。所有围焊的转角处必须连续施焊。 2 结束语 石油化工钢结构设计应该结合本行业特点 ，灵 活运用结构设计软件 ， 严格按照设计规范进行设计 ， 力求达到经济合理、技术先进、安全可靠。 参考文献 [ 1 ]中华人民共和国建设部．钢结构设计规范 G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 [ s 1 ． [ 2]中华人民共和国建设部．建筑抗震设计规范 G B 5 0 0 1 1 - 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