一种等代斜撑计算加热炉钢结构的方法.pdf

工业炉 石 油 化 工 设 备 技 术 ， 2 0 1 4 ， 3 5 5 5 9 Pe t r o Che mi c al Eq ui pme nt Te c h nol o gy 一 种等代斜撑计算加热炉钢结构 的方法 陈海 明 中国石化工程建设有 限公 司， 北京 1 0 0 1 0 1 摘 要 加热炉的钢结构计算 中考虑壁板 的抗侧 力是 一种既经济又合理的方 法， 但 目前实际工程设 计 中 并未广泛应用。文章以规范为依 托 ， 以实际的加 热炉侧墙模 型为 实例 ， 阐述 了用于加 热炉钢 结构计 算的受拉 板 带法。同时， 根据加热炉钢结构 自身的特 点， 对此方法进行 了改进 ， 采 用受拉 斜撑作 为抗 剪钢板 的等代 抗 侧 力构件 ， 并对受拉斜撑的设置方 法提 出了建议和说 明。通过 对实例模 型的分析 ， 证 明了这一 改进 方法是 可 行 的 、 合 理 的 ， 从 而 实现 了工程 设 计 方 法 上 的 可 操 作 化 和 便 捷 化 。 关键词 钢板剪力墙加热炉 受拉板 带斜撑 随着炼油装置大型化 的发展趋势 ， 炼油加热 炉作 为装 置 中的重要设备 ， 其规模也越来越 大。 一 般来讲 ， 加 热炉 的投资 占整套装 置 总投资 的 1 O 左右 。随着装置 的不同， 这一 比例会上 下浮 动 ， 而其 中钢结构部分的重量则 占整个加热炉总 重的 4 O ～6 O ， 且随着炉子体积的增大， 一些 补强构件 数量 的增加会加 大这一 比例 。近些年 来 ， 钢结构的设计在方法上进行 了不断优化 ， 以求 在满足安全 的前 提下， 实现更 为经济化的 目标。 最为常见的就是现在钢结构设计 中越来越多地将 壁板 的作用考虑其 中。将钢板作为抗侧力构件 ， 其理论依据是成熟 的， 大量的数值计算和科学实 验也都充分证实了其在提高抗剪承载力方面的优 越性n _ 3 】 。但就实际的工程设计方法而言， 目前还 都有待完善。主要问题在 于， 对钢板发生屈 曲时 影响因素 例如柱子刚度、 梁刚度 、 加强筋的布置 等 的界定 以及如何有效考虑壁板屈 曲后强度等 尚无统 一 的认识 。 在公开的资料 中， 真正将钢板作为抗侧力构 件在加热炉钢结构计算中予以考虑 的设计范例并 不多。事实上 ， 就单纯的钢板剪力墙来说 ， 其设计 已经有 规范 可循 了。 目前考 虑钢 板效应 的设计 方法 大致 可 以分为 两种 一种是基于薄板屈曲理论 ， 研究薄板在发生 屈曲时的影响因素 。目前 高层民用建筑钢结构 技术规程 采用 的就是此理论H 】 。另一种基于工 程试验结 果 的方 法我们 可 以称 之为 “ 受拉板 带 法” ， 即将受力钢板 以受拉板 带进行模拟 ， 根据抗 剪钢板的边界条件来确定受拉板带的几何尺寸和 布置方向。目前加拿大和美 国规范就是采用的这 一 方法 。 。本文将详 细介绍按照方法二的理 论 对加热炉钢结构设计的改进方法 。 1受拉 板 带法 1 ． 1 规 范说 明 根据 C S A规范 ， 抗剪钢板可划分为若干条斜 向 的受拉 板 带 ， 用 以模 拟 钢 板 的抗 侧性 能 。板 带 的宽度与间距相同， 数量不得少于 1 0条 。受拉板 带的倾角 a由式 1 确定 l 1 t a n 口一 一 1 1 去 式 中 a 受拉板带与柱轴线的夹角 ， 。 ； ￡ 钢 板厚 度 ， mm； L 柱 间距 ， mm； A 柱横 截 面积 ， mm ； Ab 横梁截面积 ， mm ； 横梁 间距 ， mm； J 柱截 面惯 性矩 ， mm 。 根据试算 ， 可以发现 就加热炉这一特殊结构 而言 ， a值对于常用 的柱梁截面 以及柱 间距 和梁 间距 的变 化 并 不 敏 感 见表 1和表 2 ， 基 本 都 在 收稿 日期 2 0 1 4 0 7 0 1 。 作者简介 陈海明 ， 男 ， 2 0 0 4年 毕业 于天津 大学 建筑工 程学 院， 获工学硕士学位 。现在中国石化工程建 设有限公 司从事 炼油加热炉的设计工作 ， 工程师。 E ma i l c h e n h a i m s e i ． c o m． a n 石油化 l[设备技术 3 5 。 ～ 4 0 。 。 表 l 不 同 梁柱 截 面 下 的 值 柱 间距 为 5 I | l 横 梁 间 距 为 2 i n HW 2 5 02 5 0 HW 3 0 0X 3 0 0 H W 3 5 O 3 5 0 HW 4 0 0 4 0 0 3 6 ． 7 3 6 ． 3 3 5 ． 4 3 4 ． 9 3 8 ． 8 3 8 ． 5 3 7 ． 8 3 7 ． 3 3 9 ． 6 3 9 ． 4 3 8 ． 7 3 8 ．3 表 2不 同 柱 梁 间 距 时 的 a值 柱截面为 H W3 0 0 3 0 0 ， 梁为 C 2 0 a 。 3 0 0 0 3 5 0 0 4 0 0 0 4 5 0 0 5 0 0 0 3 8 ． 7 3 9 ． 3 3 9 ． 7 4 0 ． 2 4 0 ． 6 3 3 ． 4 3 4 ． 6 3 5 ． 3 35 ． 9 36 ． 4 1 ． 2受拉板 带法 实例模 型 以一 面 典 型 的 加 热 炉 侧 墙 为 例， 柱 截 面 HW3 0 0 lff l IT I 3 0 0 i I T t ， 中 间梁 截 面 C 2 0 a ， 顶 、 底 梁截 面为 HM2 9 4 IT I i fi 2 0 0 mm， 柱 间距 5 I T L ， 梁 间距 2 m， 壁 板厚 度 5 mm。根 据表 2的 值 ， 此 时 a 一3 8 ． 5 。 。按照规范要求 ， 我们将钢板分成宽度 4 0 0 1 “1 1 1T I ， 间距 4 0 0 r fi l-n， 与柱轴线夹角为 3 8 ． 5 。 的 板带 ， 在每块梁柱围成的区格内， 共有长度不等的 共计 1 2条板 带 。 以 S TAAD P R O 软 件 为 计 算 工 具 ， 建立该 结构 模型 ， 如 图 1 所 示 。 图 1 板带法计算模型示意 在顶 部 和 底 部 的 梁 柱 节 点 分 别 施 加 2 0 k N 和 5 k N 的水平 力 ， 见 图 2 。 F 2 0 k N F 2 0 k N F。 2 0 k N F 2 0k N F 2 0 k N F 5 k M F 5 k N F 5 k N F 5 k N - - ● l_ - 图 2荷 载 示 意 经 过程 序计算 ， 结 果如 图 3 ～ 图 5所 示 。 表 3和 表 4 分 别 是板带 法底 层梁 柱节 点处 柱 截面最大应力值和板带法柱顶节点位移应力值 。 、 图 3板带法杆件 的轴 力示意 图 4板 带 法 杆 件 的应 力示 意 、 L＼ ⋯ 图 5板 带 法 节 点 位 移 示意 由图 3和图 4可以看出 ， 虽然按照结构壁板 原尺寸划分了 1 2条板带 ， 但实际受力的主要还是 中间的大 约 3条板带 ， 即 。 在整 片侧 墙完 全 丧失 承 第 3 5卷第 5期 陈海 明．一种等代斜撑计算加热炉钢结构 的方法 载 能力 之前 ， 率 先进 入 屈 服 的应 该 是 位 于 柱 问跨 距 的 约 3条板 带 。而 且 ， 通 过试 算 其 他 梁 柱截 面 的组合 ， 主要受力的板带变化并不大。 表 3 板带法底层梁柱 节点处柱截面最大应力值 应 力值／ MP a 3 0 ． 0 3 7 ． 8 3 7 ． 6 3 6 ． 9 3 8 ． 8 表 4板带法柱顶节 点位 移应 力值 柱 顶节点位移／ ram 4 ． 7 1 9 4 ． 6 7 4 4 ． 6 3 5 4 ． 6 1 3 4 ． 6 1 1 2等 代斜 撑法 2 ． 1 斜撑 等代 的依 据 规范 给出 了按照 受拉 板带 法进 行计 算 时钢板 剪 力墙 受 剪承 载力公 式 1 V 一 0 ． 4 2f ’ ⋯ t Ls i n 2 a 2 根据前 面 的验 算 ， a的 范 围在 3 5 。 ～ 4 O 。 ， 由此 s i n 2 a的范 围 就是 0 ． 9 5 ～ 1 ， 对 于 工 程 设 计 而 言 ， 可以认 为 s i n 2 a 1 ， 则抗 剪 钢板 的抗剪 承 载 力 ．． 可 简 化为 V。 一0 ． 4 2 f t L 3 值 得说 明 的是 ， 公 式 3 得 到 的 承载 力 ， 应 该 是 受拉 板带 逐 条屈 服 、 最 终 所 有 板 带 全 部 屈服 后 整 片抗 剪钢 板 的受 剪 承 载 力 。对 于加 热 炉 来 讲 ． 因为壁板本身不仅仅作为结构构件 ， 同时其内壁 还布有衬里结构 ， 尤其是 当衬里结构中含有浇注 料 时 ， 由于浇 注料 本身 抵抗 应变 能力 很差 ， 过 大 的 壁板变形会使得 与壁板紧密接触 ， 并锚 固的浇注 料 大量 开裂 甚至 脱 落 ， 所 以不 可 能让 钢板 的受 力 达 到承 载力 的极 限 。 根据 上 面 的分 析 ， 既 然 位 于柱 间距 的受 拉 板 带 中最初 受力 主 要 集 中 在这 大 约 3条 板 带 ， 考 虑 到板 带 的宽度 及上 面计 算结 果 中这 3条板 带 所受 拉力的均匀性 ， 我们不妨就 以这几条板带位置附 近的 2条板带宽度 的受拉板带承载力作为整片钢 板墙 的抗 剪 承载 力 设 计 值 ， 这 样 既 可 以有 效 地 控 制 整 片钢板 的屈 曲变 形 ， 另 一 方 面 也 不 会 因 为过 高地估计壁板的抗剪承载力而使得柱截面设计偏 于 危 险 。 在实际的工程设计中， 还可以进 一步对模 型 进行简化。在满足上文假定的抗剪承载力设计值 基本 相 同的前 提 下 ． 如 果 能 以斜 撑 来 代 替 等距 划 分 的受拉 板带 ， 应 该 会 给 建模 和计 算 带 来 更 大 的 便 利 。 按照上文的结论 ， 主要受力的受拉板带定 为 2条 ， 由每条 板带 的宽 度 4 0 0 mm 可 知 ， 总 的受 拉 板带 宽 度 为 8 0 0 mm。而 且 由上 文 的分 析 可知 ， 这 一宽 度 以及 a角在加 热炉 这一 特定结 构 来说 变 化是不大的。事 实上 ， 既有 的许多分析也 表明 a 值在 3 8 。 ～4 5 。 变 化 时 ， 承 载 力 变 化 并 不 大 ， 仅 为 5 ． 1 】 ， 不妨就将该值按照 固定的 3 8 。 考虑。而 对于常规的加热炉钢结构 ， 梁间距基本在 2 m， 柱 间距在 4 m， 则 斜 撑 的倾 角 斜 撑 与 梁 的夹 角 基本在 2 7 。 左 右。若将 受拉 斜撑 同样简 化为板 带 。 可 以得 到斜撑 板带 的宽 度 札 的值 如下 80 0 s i n 38 。 叫 c o s 2 7 。 4 叫 ≈5 5 O 5 对 于 5 mm 的钢板 来说 ， 5 5 0 mm 相 当于 1 1 0 倍 的板 厚 。在 实 际 工 程 设 计 中， 可 以 近 似取 1 0 0 倍 的板厚 值作 为 斜撑板 带 的宽度 。 2 ． 2 等 代斜撑 法 实例模 型 同样 以上 文 的侧 墙 为例 ， 梁 柱 截 面 及 轴线 布 置均 不 变 ， 只是 以截面 5 mm5 0 0 mm 的板条 作 为受拉斜撑代替受拉板带 ， 重新建立结构计算模 型 如图 6所示 。 _／ 图 6 斜撑法计算模型 示意 荷载 的施 加 不 变 ， 经过 计 算 分 析 得 到结 果 如 图 7 ～ 图 9所示 。 、 L＼ 图 7斜撑法杆件轴力示意