石油化工管廊钢结构桁架的选型.pdf

第 4 4卷第 9 期 2 0 1 5 年 9月 当 代 化 工 C o n t e m p o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V o 1 ． 4 4， N o ． 9 S e p t e m b e r ，2 0 1 5 石油化工管廊钢结构桁架的选型 董海印，杨耀森 中国寰球工程公司辽宁分公司， 辽宁 抚顺 I 1 3 0 0 6 摘 要 钢结构桁架在石油化工管廊中会经常被用到，目前常用的钢结构桁架形式为平行弦桁架。平行 弦桁架根据腹杆布置方式的不同又可以细分为以下几种单斜式桁架、人字形桁架 、无竖杆式桁架。以工程实 例作为分析对象 ，通过 P K P M建模分析计算对三种平行弦桁架的经济性 、内力和变形进行了对比，通过对比得 出在常规荷载下无竖杆式桁架经济性 、抵抗变形能力和承载力均比较突出，但是超静定次数较少安全富余度 相对较少，在具体工程中可以通过加大关键部位的截面予以解决。 关键词石油化工；钢结构桁架；平行弦桁架；腹杆的布置方式；选型 中图分类号 T E 8 3 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 50 9 2 1 9 0 0 3 T ype Se l e c t i o n o f t he S t e e l Tr us s i n Pe t r o c he mi c a l I nd us t r y D ONG Hai - yi n， Y ANG Y a o - s e n H QC 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 Th e s t e e l t r u s s i S 0 f t e n u s e d i n p e t r o c h e mi c a 1 i n d u s t r y ； t h e c u r r e n t c o mmo n t r u s s s t r u c t u r e i S p a r a l l e l c h o r d t r u s s ． Ac c o r d i n g t o t h e d i ff e r e n t a r r a n g e me n t o f t h e i r we b me mb e r s ．p a r a l l e l c h o r d t r u s s c a n b e d i v i d e d i n t o ma n y f o r ms ，ma i n l y i n c l u d i n g mo n o c l i n i c t y p e ，c h e v r o n t y p e a n d t h e t ru s s wi t h o u t v e r t i c a l we b me mb e r ．I n t h i s p a p e r ， t a k i n g a n a c t u a l p r o j e c t a s an e x a m p l e ． P K MP wa s u s e d t o c a l c u l a t e a n d ma k e a c o n t r a s t o n e c o n o mi n t e ma l s t r e s s an d d e f o r ma t i o n o f t h r e e k i n d s o f p a r a l l e l c h o r d t r u s s e s ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t ， u n d e r t h e c o mmo n l o a d c o n d i t i o n ， t h e t r u s s wi t h o u t v e r t i c a l we b me mb e r h a s mo r e a d v a n t a g e s o n e c o n o my , i n t e r n a l s t r e s s a n d d e f o r ma t i o n ． b u t i t s s a f e t y ma r g i n i S s ma l l ， we c an s o l v e t h e p r o b l e m b y i n c r e a s i n g t h e s e c t i o n d i me n s i o n o f k e y p a rts ． Ke y wo r ds Pe t r o c h e mi c a l i n dus t r y；S t e e l t r us s ； Pa r a l l e l c h or d t ru s s ； Ar r a ng e me n t ofwe b me mbe r s ； Ty pe s e l e c t i on 石油化工行业 中管廊是石 油化工厂的组成部 分，起到连接各装置或设施的作用，在化工厂中分 布非常广泛 J ，主要承载着各种管道和仪表槽盒、 电气槽盒以及检修通道。 当管廊跨越道路和各种“ 障 碍物”时，跨度会比较大，为满足使用要求桁架结 构就会成为一种首选的结构形式。同时钢结构桁架 如图 1 由于其施工的便捷性、改造的方便性等 优点 ，在石油化工行业中被广泛的采用。本文将对 桁架 的受力特点和石油化工行业中各种钢结构桁架 的选型进行探讨 ，对比各种钢结构桁架的优缺点 ， 为以后的设计工作提供相应的参考。 1 桁架的力学分析 桁架结构中的桁架指的其实是桁架梁是格构化 的一种梁式结构 。在这种结构形式下各杆件受力均 以单向轴向力为主，通过对上、下弦杆和腹杆的合 理布置使结构内部的弯矩和剪力合理分布。由于水 平方向的拉、压内力实现了自身平衡，所以整个结 构对支座不会产生水平推力。 图 1 石油化工钢结构桁架 Fi g ． 1 S t e e l t r us s i n pe t r o c hemi c al i ndus t r y 桁架梁和实腹梁 即一般所见 的梁 相 比，在 抗弯方面，由于将受拉与受压的截面布置在上下两 端 ，增大了结构的内力臂使得以同样的材料用量 ， 实现了更大的抗弯强度 。在抗剪方面，通过合理布 置腹杆 ，能够将剪力逐步传递给支座。这样无论是 抗弯还是抗剪， 桁架结构都能够使材料强度得到充 分发挥。 2 石油化工钢结构桁架分类 常用的钢结 构桁架 根据外 形来 划分 主要包 括 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 6 2 8 者简介 董海 印 1 9 8 5 一 ， 男， 辽宁抚顺人， Z - 程师， 2 0 0 8毕业于中国石油大学 华东 土木工程专业， 研究方向 石油化工结构设计． ． E - m a i l d O n q n a 1 y 1 n h q c e c ． c o m， T e l 0 2 4 3 1 9 5 7 6 2 0 。 第 4 4卷第 9 期 董海印。 等石油化工管廊钢结构桁架的选型 2 1 9 1 平行弦桁架、折弦桁架 、三角形桁架，结合化工行 虑， 每米宽度平均铺设 2 ． 5 根 ， 6 m宽的横梁上共铺 业管廊荷载相对稳定并考虑施工方便 l生，根据作者 设 1 5根 3 0 0 mm管线 ， 作用在横梁上的荷载按照 实地 的走访调查 ，目前 石油化工行业中主要采用平 均布荷载考虑 。横梁间距按照通常做法 每 3 m设 行弦桁架。平行弦桁架顾名思义其上下弦杆为平行 置一道， 计算后每个间隔 3 m的横梁承受的荷载为 布置的状态，从外观上看更像是一种等截面的格构 l 1 ．2 5 k N ／m， 横梁传给桁架弦杆的节点荷载为3 3 ．7 5 式梁，平行弦桁架根据腹杆的布置形式又可以细分 k N ，本例按照桁架高度 2 ． 1 m进行计算。以此实例 为单斜式桁架、人字形桁架、无竖杆式桁架 如图 为基础按照相同的荷载条件 ， 相同的截面形式，借 2所示 。各种桁架 由于其腹杆布置的不 同，在相 助 P K P M计算软件把三种平行弦桁架的用料情况 、 同荷载条件下其经济性、内力分布及变形也是有很 内力结果和变形情况进行对比，得出各种桁架的优 大的差别 ，本文将着重对上述三种平行弦桁架展开 缺点 。 讨论。 3 ． 2 ＼ ＼ ＼ ＼ ＼ ／ ／ ／ ～ ／ ／ a 单斜式桁架 ＼ ／ ＼ ／ ＼ ／ ＼ ／ ＼ ／ ＼ ／ ＼ b 人字形桁架 ＼／ ＼ ／／ ／ ＼ ／／ ／ ／ ＼ c 1 无竖杆式桁架 图 2 腹杆布置方式 Fi g ． 2 W e b me mbe r s a r r a n g e me n t 3 平行弦桁架实例分析 3 ． 1 计算实例 下面将根据实际工程在常规生产条件最大荷载 布置的情况下对各种形式的平行弦桁架进行安全 性、经济型和适用性分析 J 。结合工程实际， 通过 计算分析得出各种桁架的优缺点 ，找出在常规使用 情况下最合理的平行弦桁架形式。 以山东利华益 8 万t ／ a 乙苯苯 乙烯系统管带桁架 为例桁架跨度 3 0 m，柱间距为 6 m，基本风压为 0 ． 5 3 k P a ／ m2 ，地震烈度为7 度， 加速度为 0 ． 1 5 g ， 特 征周期 0 ．4 S 。为保证桁架的通用性及可改造性， 荷 载计算时按照满铺 3 0 0 m m x 1 0 m m的充水管线考 内力分析 在上面的条件下经过 P K P M计算得出各种桁架 的内力结果如图3 所示。 a 单斜式桁架正应力简图 0 ． 0 5 0 ． 2 2 0 ． 3 5 0 5 4 0 ． 6 3 0 ． 7 5 0 ． 8 1 0 8 9 0 ． 9 1 耋 1 5 0 0 I 1 5 0 0l 1 5 0 0 t 1 5 0 0I 1 5 0 0 I 1 5 0 0I 1 5 0 0l 1 5 0 0l 1 5 0 0I 1 5 0 0 b 人字形桁架正应力简图 c 无竖杆式桁架正应力简图 图 3 应力简图 F i g ． 3 S t r e s s 通过 内力对比可以看出在相同条件下各种架内 力差别不大，三种桁架的内力分布均有如下特点 端部腹杆 内力较大 ，越接近 中部腹杆 内力越小 ；上 下弦杆的内力变化与此相反，越接近中部弦杆内力 越大。同时可以看出人字形桁架和单式桁架用料相 同，无竖杆式桁架的用料相对较少 省掉了竖杆部 分 。 单纯从承载能力和经济性方面考虑无竖杆式 桁架在这几种桁架中为优选方案。 3 ． 3变形分析 下面从变形情况对几种桁架进行对比，由于桁 架承受水平力较小，本文仅把桁架节点的竖向位移 作为对比指标。同样采用 P K P M的计算结果 如图 2 l 9 2 当 代 化 工 2 0 l 5年 9月 4所示 。 a 单斜式桁架竖向位移 ’ ～ 卜 禹 l 5 0 0 l 1 5 0 0I 1 5 0 0l 1 5 0 0 喜 一 卜 ． t r， ‘ 一 1 5 0 0I 1 5 0 0l 1 5 0 0【 1 5 0 0}1 5 0 0I 1 5 0 0 b 人字形桁架竖向位移 c 无竖 杆式 桁架 竖 向位移 图 4 变形简 图 F i g ． 4 De f o r ma t i o n 通过对 比可以看出在相 同条件下人字形桁架和 无竖杆式桁架的节点位移基本一致 ，均小于单斜式 桁架的节点位移。从变形和经济 I生方面考虑无竖杆 式桁架在这几种桁架中为优选方案。 3 ． 4 对比分析 通过 3 ． 2 节及 3 _ 3 的对比不难得出在相同的条件 下无竖杆式平行弦桁架在受力 、变形 、经济方面具 有一定 的优势。但是 由于本次的计算结果都是通过 P K P M 计算软件进行得出的，所有的杆件都是按照 理想状态下单纯的拉 、压构件进行计算的 ，而实际 情况下受施工精度和桁架受力变形的影响节点处可 能会 出现弯矩导致桁架杆件不再是单纯的拉 、压杆 件p 。此时竖杆的设置就可以增加节点的超静定次 数，保证桁架某些杆件发生破坏时依旧能保持为几 何不变体系，为桁架增加一道保障，提高了整个桁 架的安全系数。无竖杆式桁架由于缺少竖杆就会在 安全富余度上有所欠缺。 针对无竖杆式平行弦桁架的这种欠缺 ，同时考 虑到实际使用过程中有些杆件可能会遭到意外的破 坏，我们通过计算软件考虑了平行弦桁架部分根杆 件断裂时对整体结构 的影响 。通过计算得 出在 当 平行弦桁架中部的某根斜腹杆或者上下弦杆遭到破 坏时会对临近的构件产生 比较大的影响，所 以在对 无竖杆式桁架进行设计时就需要考虑对上述部位进 行截面上的加强 ，使安全性和经济性都能很好的满 足使用要求。 4 结 论 通过本文的分析得知在相同的荷载情况下无 竖杆式桁架的经济性和防止变形能力都 比较突出， 应当优先考虑，但是由于缺少竖杆安全系数没有人 字形桁架高。但是在荷载相对固定 ，工况简单的情 况下可以考虑采取这种形式 的桁架 ，同时应该适 当 提高端部斜腹杆和中部上下弦杆的富余量以增加整 个桁架的安全度。 人字形桁架的综合性能比较突出 ，竖杆内力较 小在进行杆件配置时可以适当减少其截面，以达到 经济的目的。斜腹杆受力为拉、压杆交替分布设计 时可根据其内力大小和稳定性要求进行截面配置。 单斜式桁架从经济性和变形上考虑在这三种桁 架形式中均比较差 同时承载力也很一般 ，不作为推 荐的结构形式 。 参考文献 [ 1 ]李 杨 ， 候 丽 薇 ． 浅 论 化 工 管 廊 结 构 设 计 lJ 1 ． 甘 肃 科 技 ， 2 0 1 3 ，2 9 1 2 1 0 2 - 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