高压酸浸钢结构厂房结构设计优化 - 副本.pdf

5 0 q -固 有色冶 金 A卷红土镍矿湿法冶炼 高压酸浸钢结构厂房结构设计优化 孙 亚 民 ， 张明 中国恩菲工程技术 有限公 司， 北京 1 0 0 0 3 8 【 摘要】 某海 外红 土镍 矿冶炼厂 高压 酸浸钢结构厂房的楼层 结构复杂 ， 且 有重型设备 支承 于楼层 上 ， 工程所在地抗震设 防烈度较 高， 这给工程设 计带来比较 大的难度 。本 文通过不 同方案 的对比分析进行 结构设计优化 ， 综合考虑工艺要求与结构受力性能， 确定了结构方案、 支撑系统及节点形式。采用空间 结构计算程序S A T WE与E T A B S 软件对结构进行对比计算分析， 考察结构在正常使用及地震作用情况下 的性能 ， 校核 了方案 的合 理程 度。通过 采用 多重次梁与钢 结构井字梁的布置方法 ， 使得框 架柱 的截 面尺 寸得 以按 照轴力而非弯矩进行控制 ， 截面尺寸优化 为最合理 的尺 寸。 『 关键词1 地震高发区； 钢结构厂房； 结构设计优化 【 中图分类号] T U 3 1 8 ； T F 8 1 5 【 文献标识码] B [ 文章 编号] 1 6 7 2 6 1 0 3 2 0 1 3 0 5 0 0 5 0 0 7 镍冶炼厂高压酸浸子项湿法冶金车间， 长 6 3 ． 0 m、宽 4 3 ． 0 m、 高 3 1 ． 3 m， 位于南 太平洋某岛国 ， 如图 1 所示。工程设计基准期为 5 0 年， 抗震设防烈度为 8 度 0 ． 3 g ， 设计地震分组为第一组 ， 场地土类别为 Ⅱ 类 ， 基本风压值为 0 ． 4 5 k N ／ m ， 地面粗糙度类别为 A 类 。 根据工艺配置 ， 本子项主要分为高压釜厂房 、 预 热闪蒸 区及配电楼三个部分 ， 三部分结构体 系各 自 独立 ， 在结构上设缝脱开 ， 如 图2 所示 。高压釜厂房 采用两层钢排架体系 ， 高压釜支承于地面基础之上 ， 配电楼采用五层钢框架体系 首层架空 ； 预热闪蒸 区为整个项 目最复杂的部分 ， 高度较高 ， 错层较多， 且有 6个 1 6 1 t ～ 4 6 2 t 的反 应槽分 别支 承 于 6 ． 0 0 m ～ 2 3 ． 2 0 i n 楼层的平台上。工程所在地为地震高发 区， 抗震设 防烈度较高 8 度 ， 0 ． 3 g ， 这给工程设计 带来较大 的难度。下面主要讨论预热闪蒸区厂房的 结构分析与设计优化。 1 确定结构体系方案 1 ． 1 确定结构体 系 本项 目所在地经济很落后 ， 基本没有工业基础 和基础设施 ， 同时业 主对工程进度的要求较高。如 【 作者 简介] 孙亚 民 1 9 8 2 ～ ， 男 ， 河北 省廊坊人 ， 工程师 ， 主要从 事 结构 设计。 [ 收稿日期] 2 o 1 3 0 6 3 0 进行混凝土施工， 尤其是复杂厂房的施工 ， 不仅造价 比钢结构要高 ， 而且工程进度 、 质量也很难保证 ， 所 以厂房 的地上部分结构采用钢结构 ， 钢构件在 国内 加工 ， 运抵工程现场后进行拼装。考虑到当地的地 震烈度较高 ， 采用延性更好 的钢结构也使结构具有 更好的抗震性能， 而且钢结构 自重较轻 ， 地震反应也 较小。值得注意的是 ， 因为本厂房属于湿法冶金车 间， 因此需对钢结构构件进行有效的防腐蚀处理。 考虑到结构楼层上设有很重的设备 ， 荷载较大 ， 厂房属于高层钢结构， 宜采用双重抗侧力结构体系， 在高层结构中主要采用的双重抗侧力体系有框架 一 剪力墙 混凝土剪力墙或钢板剪力墙 和框架一 支撑 体系。因为工艺在整个厂房内布置了许多纵横交错 的管道 ， 以及供人员操作 的通道 ， 因此采用框架一 剪 力墙结构体系很难满 足要求 ， 而采用框架一 支撑体 系可以通过支撑形式的灵活布置满足工艺管道及操 作通道的要求 ， 所 以最终决定采用钢框架一 中心支 撑体系。钢柱之间通过 主梁连接 ， 主梁之间通过次 梁连接 ， 形成垂直传力体系。水平剪力的传递通过 钢框架与柱间支撑的共同作用来承担。 结 构的平面布置如图2 所示 ， 主要 钢构件均采 用 Q 3 4 5 一 B级钢材 ， 除部分框架柱采用焊接 H型钢 外 ， 其余均采用热轧 H型钢。 1 ． 2 支撑体系布置方案 因结构楼层上荷载较重 ， 重心较 高 ， 且错落布 2 0 1 3年 l 0月 第 5期 孙亚民等 高压酸浸钢结构厂房结构设计优化 ．5 3． 布置时尽量使每榀支撑都能够上下贯通布置 ， 使每 个楼层 的受剪承载力没有太大的突变 ， 结构 整体性 能 良好 ， 能够满足 6 5 ％的规范要求 。 表2 楼层受剪承载力 2 ． 2 ． 3 结构平面规则性控制 造成结构扭转 平面不规则 效应的主要原因系 指结构质量 中心与 刚度 中心的不重合 ， 有 的时候受 限于工艺或建筑布置 的情况 ， 不重合的情况是不可 避免的 ， 这就需要合理安排结构形式与支撑 的布置 ， 使结构因质量 中心与刚度 中心和强度 中心不重合而 产生 的扭转效应控制在可以接受 的范围之 内 ， 在现 行规范 中主要是通过控制结构 的位移 比来实现 的。 位移 比系指楼层竖 向构件最大 的弹性水平位移／ 层 间位移 与楼层弹性水平位移平均值／ 层 间位移平均 值的比值 ， 对于平面不规则结构 ， 其位移 比不应大于 1 ． 5 。如表 3 所示 ， 表中位移 比一列 ， 前面数字表示最 大的弹性水平位移与弹性水平位移平均值的比值 ， 后面数字表示最大层间位移与层间位移平均值 的比 值 。从表 3中可以看出 ， 结构各层在 x向和Y向的 位移 比均不大于 1 ． 5 ， 表 明结构的扭转效应得 到了有 效控制 ， 能够保证较好的平面规则性。 2 ． 2 ． 4 楼层位移 的控制 设计规范对各类混凝土及钢结构均要求进行多 遇地震作用下 的弹性变形验算 ， 弹性变形验算属于 正常使用极 限状态的验算 ， 弹性变形以层间位移角 的形式表示 。 抗规 对钢框架结构的层 问位移角限 值为 1 ／ 3 0 0 现行新 抗规 已改为 1 ／ 2 5 0 ， 高钢规 对层 间位移角 的限值为 1 ／ 2 5 0 。表 3中列 出了两种 软件计算 出 的地震作用下 的 x向及 Y向水平位移 角 。如表 3 所示 ， 虽然结构层间位移角在 S A T WE和 E T AB S的计算结果 因两种 软件 中结 构标准层 的划 分及计算假定并不完全相 同， 计算结果略有差别 ， 但 是发展趋势是相 同的， 并且均能满足规范要求 ， 这说 明通过采用强支撑一 框架结构体 系 ， 楼层位移角的 控制是成功 的。当然 ， 结构在风荷载作用下的弹性 位移角也是需要控制 的参数 ， 但是本工程没有维护 结构 ， 挡风面积较小 ， 并且该地 区基本风压也较小 ， 同时本结构属于重型厂房 ， 故结构在风荷载作用下 的变形非常微小 ， 在此不再赘述 。 表 3 楼层位移与位移 比 地震作用 2 ． 2 ． 5 结构主要振型及周期 通过两种软件分别对结构进行模态分析 ， 得到 结 构的各个振型及振动周期 ， 见表 4 。通过对各个 振 型进行 比较分析后发现 ， 计算 出的结构前几阶振 型并不是整体振 型 ， 而是柱 间支撑杆件在平面外的 局部振 型。根据 S A T WE的计算结果 ， 计算第 1 1 振 型为 x向整体平动振型 ， 第 l 2 振型为 Y向整体平动 振型， 第 l 3 振型为整体扭转振型 ， 周期分别为O ． 3 4 s 、 O ． 3 3 s 、 0 ． 3 0 s 。根据 E T A B S的计算结果 ， 第 5 振型为 x向整体平动振型 ， 第 6 振型为 Y向整体平动振型 ， 5 4 中固 有色冶 金 A 卷红土镍矿湿法冶炼 第7 振型为整体扭转振型周 期分别为0 ． 2 8 S 、 0 ． 2 7 S 、 0 ． 2 6 s 。结构 的扭转振型位于 x向及 Y向平动振型 之后 ， 说明结构 的整体性较好 ， 在平面布置及质量均 不规则的情况下 ， 通过支撑的有效布置 ， 达到了比较 理想的结构响应 。关于前几阶振型属于支撑局部振 型的情况 ， 说 明强支撑框架结构体系的整体 刚度很 大 ， 支撑杆件的局部刚度偏小是需要注意的问题 ， 但 是本结构 因计算建模时假定支撑与框架 的连接节点 为铰接 ， 而实际上支撑的端部连接节点为刚性连接 ， 故可以在一定程度上增强局部刚度 ， 改善局部振型 较多的情况。 表4 结构主振型及周期 2 ． 2 ． 6 结构的刚重 比 高层结构应能保 持整体稳定 ， 以免产生滑移和 倾覆 。结构 的整体稳定主要依靠 刚重 比来反映 ， 如 果结构的刚重 比很小 ， 在侧 向荷载作用下 由于重力 二 阶 P 一 △ 效应而产生很大的附加弯矩 ， 对结构 的 整体抗倾覆性能是非常不利的。表5中分别列出了 两种软件计算 出的结构在 x向和 Y向的刚重 比， 如 表 5 所示 ， 结构x向和 Y向的刚重 比整体相差不大 ， 并且均远远大于规范中规定的 1 ． 4 ， 所 以满足整体稳 定性的条件。同时大于是否考虑重力二阶 P 一 △ 效 应 的临界值 2 ． 7 ， 说 明结构的整体 刚度很大 ， 在计算 中可以不考虑重力二阶 P 一 △ 效应。 表5 结构刚重 L t E J ／ G H 3 结构构造措施 3 ． 1 设备下多重次梁与井字梁布置 因为支承在楼层上 的设备 主要是闪蒸槽 自 重 、 体积均很大 ， 而且需要穿过楼板 ， 在楼面上开洞 ， 因此支承次梁 的布置方法将对整个结构的受力有很 大的影响。 3 ． 1 ． 1 多重次梁布置 图4 为低压闪蒸槽 的不 同次梁支承布置方式。 x向及 Y向柱距均为8 n l ， 中间开直径 6 ． 8 m的洞 口， 设备通过 8 个 支座将重力传到结构次梁上 ， 之后传 到主梁上每个支承点的荷载约为 6 0 0 k N。 图4 a 为常规 的布置方法 ， 支承点到主梁端的 距离为 3 ． 2 i n ； 图4 b 为本工程采用的多重次梁布置 方法 ， 支承点到主梁端 的距离为 1 ． 5 1 T I 。根据 建筑 结构静力计算手册 中梁端固支梁的计算公式， 梁端 弯矩 M 一 P a 1 一 a ／ 1 对 图 4 a M 一 6 0 0 x 3 ． 2 x 1 3 ． 2 ／ 8 一 1 1 5 2 k N 1T I 对图4 b M 一 6 0 0 x 1 ． 5 x 1 1 ． 5 ／ 8 一 7 3 l k N IT I 常规次梁布置 b 本工程次梁布置 图4 不同次梁布置方式比较一 可 以看到， 因为设备的竖向荷载 ， 可以使主梁产 生很大的附加弯矩 ， 同时通过梁柱节点的传递使框 架柱也产生很大的弯矩。而采用 图4 b 中次梁布 置方式之后 ， 梁端弯矩降低了将近 5 0 ％， 可 以有效减 小框架梁的截面高度。同时框架柱因设备竖向荷载 而产生 的弯矩同时降低 。 从前面的论述可知 ， 本结构 为强支撑钢框架结 构 ， 包括地震作用在 内的大部分侧 向荷载都 由支撑 承担 ， 而不是像纯框架那样完全通过框架 柱的弯矩 来承担。这样一来 ， 因设备重力而产生的柱端弯矩 将成为框架柱弯矩的主要部分 ， 从而成为控制柱截 面的主要 内力 ， 这显然是很不合理的 ， 虽然加 了很多 的柱 间支撑 ， 框架柱仍然需要很大的截面来抵抗弯 矩而不是轴力 。经过在程序里的试算 ， 如采用4 a 布置方式 ， 框架柱需采用高度为 7 0 0的0型截面才 能满足受力要求。而采用 4 b 布置方案之后 ， 仅需 采用 6 0 0 高 的H型截面就可 以满足要求 ， 因为此时 柱端弯矩大大减小 ， 主要抵抗轴力。 3 ． 1 ． 2 井字梁布置 图5 为高压闪蒸槽两种次梁支承布置方式 。同 样柱距均为 8 m， 中间开直径 4 ． 9 r n 的洞 口， 设备通 过8 个支座将重力传到结构次梁上。图5 a 为常规 2 0 1 3年 1 0月 第 5期 孙亚民等 高压酸浸钢结构厂房结构设计优化 5 5 的次梁 布置方式 ， 荷载全部传 到一个方 向的主梁之 上 ， 这将势必造成这个方 向的主梁弯矩很大 ， 导致主 梁和相应 的框架柱都需要很大的截面 ， 而且这样大 的荷载全部传到一个方 向的受力构件上对楼层整体 的受力情况也是不利 的。如按 图 5 b 所示 的井字 梁布置方案 ， 采用两个方 向的钢梁 固接形成 的井字 梁 ， 将闪蒸槽 的荷载均匀分配到两个方向的主梁上 ， 可以将按 图5 a 布置 的主梁弯矩减小一半 ， 同时也 将荷载均匀分配到了两个方 向， 增强 了结构 整体受 力的性能。 ／ 一／ ＼ 、 _ l Ⅲ 、 ＼ 一 ／ a 常规 次梁布置 b 本工程次梁布置 图5 不 同次梁布置方式 比较二 3 ． 2 节点设计 柱 与主梁连接 、 支撑与框架连接节点均采用刚 接形式 ， 现场采用栓焊 翼缘剖 口焊 、 腹板高强螺栓 连接 ， 如图 6 所示 。梁柱连接节点是结构构造 的关 键部位 ， 也是保证结构大震不倒的主要措施 ， 它起着 在两种构件之 间传递弯矩和剪力的作用 ， 而且所有 节点及其连接均应满足强度 、 延性等方面的要求 ， 现 行规范 抗规 、 钢规 等对于节点处的抗震验算要 求主要有强柱弱梁要求 以及节点域的屈服承载力两 个方面， 这也充分体现了抗震结构 中强柱弱梁 、 强节 点弱构件的设计思路。强柱弱梁方 面， 因为楼层上 设备荷载较重 ， 使相应框架梁及楼层次梁会很高 最 大梁高 9 0 0 ， 如将框架柱也按强柱弱梁的要求加的 更大 ， 将明显不经济 。第一 、 本工程为钢框架强支撑 结构 ， 大部分侧 向荷载由支撑承担 ， 框架柱承担的侧 向荷载很小 ； 第二 、 适当减小框架柱 的轴压比 ， 使框 架柱留有足够的延性储备 。通过以上两个方面可以 在不需加大柱截面很大的情况下 ， 保证结构 的安全 性 。强节点方面对钢结构主要表现在节点域 的抗剪 屈服承载力性能， 因所有框架柱均采用 H型截面 ， 在 强轴方 向上腹板较薄， 抗剪能力较弱 ， 在框架梁较大 的情况下可能会 出现节点域的抗剪屈服强度不能够 满足要求 ， 所 以本工程采用节点域局部外贴钢板补 强 的方法进行 了加强 ， 保证 了强节点弱构件的结构 抗震设计要求。 4 结语 本文在充分考虑工艺要求与结构受力多方面的 因素的情况下 ， 通过合理的结构选型与抗侧力构件 一 卜， _宅 c一 ’ ＼ ／ ’ ／ 13 ．9 I 7 一 I Y f J I l { 1 f 』 I ／ r 0 0 I J ＼ f 2 5 0 f ● r f 一 十 希 1 F 虽 l } 一3 0 0 ／ 一3 0 0 ～ l 图6 框架节点 的连接形式 5 6 中固 有色冶 金 A-I- 镍矿湿法冶炼 的布置， 解决了在高地震烈度区 ， 重型设备布置不规 则给结构设计带来的困难 ， 同时通过采用两种空间 有限元计算程序 的计算 ， 通过结果 比较进行优化设 计。结构在受力 、 竖向及平面规则性 以及整体性等 方面均能满足规范 的要求 ， 同时能够达到较好 的效 果 。证 明钢框架一 中心支承的结 构体系 ， 完全可 以 满足工艺布置和结构受力方面的要求 ， 适于在高烈 度区 ， 重型设备布置不规则的条件下采用。 通过采用多重次梁与井字梁的布置方法 ， 使得 框架 柱的截面尺寸得以按 照轴力 而非弯矩进行控 制 ， 截面尺寸大为减小 ， 结构整体受力也更加合理 ， 可以供以后 的类似工程借鉴。项 目已于 2 0 1 2 年 3 月 开始正式投料试车 ， 并顺利实现全流程一次性投料 试车成功 ， 产 出合格的氢氧化镍钴产品。2 0 1 2 年 1 2 月 6日举 行 了竣 工典 礼 ， 由建设 期转 入 生 产期 。 2 0 1 2 年 4 月厂房附近 曾发生较大地震 7 ． 3 级 ， 工程 结构完好无损。 【 参考文献】 [ 1 ] GB 5 0 0 1 7 2 0 0 3 ， 钢结构设 计规 范[ s ] ． [ 2 】 GB 5 0 0 1 1 - 2 0 1 0 ， 建筑抗 震设计 规范【 s ] ． [ 3 ] J GJ 9 9 9 8 ， 高层 民用建筑钢结构技术规程[ s ] ． [ 4 ] 建筑结 构静力计算 手册编 写组． 建筑 结构静 力计算手册 [ M】 第 二版 ．北京 中国建筑工业 出版社 ， 1 9 9 8 ． [ 5 ] 钢结构设计手册 编辑委员会． 钢结构设计 手册[ M] 第三版 ． 北 京 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 6 ] 北京 金土 木 软件 技术 有 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v e l y d i ffi c u l t y t o t h e e n g i n e e r i n g d e s i g n．Th r o u g h a c o mp a r a t i v e a n a l y s i s o f v a r i o u s o p t i o n s ，a n d c o nb i n e d wi t h t e c hn o l o g i c a l r e q ui r e me n t s a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f s t r u c t u r e ， t h e s t ruc t u r e s y s t e m， b r a c i n g s y s t e m a n d t y p e o f j o i n t s w e r e d e t e r m i n e d ． T w o k i n d s o f s o f t w a r e P K P M E T A B S h a d b e e n u s e d f o r c o mp a r i s o n c a l c u l a t i o n a nd a na l y s i s ．Th e e l a s t i c a nd i ne l a s t i c p e r f o r ma n c e o f t h i s s t ru c t u r e u n d e r n o r ma l l o a d a n d s e i s mi c a c t i o n wa s i n s p e c t e d，t h e r a t i o n a l i t y o f s t r u c t u r e s y s t e m wa s c he c k e d ．The c o l u mn s s e c t i o n s i z e c o u l d b e d e t e r mi n e d i n a c c o r d a n c e wi t h a x i a l f o r c e i ns t e a d o f t h e mo me n t b y l a y i n g o u t mu l t i pl e b e a ms a n d s t e e l g i r d e r b e a ms ，t h e s i z e o f c o l u mns s e c t i o n wa s o p t i mi z e d t o r a t i o na 1 ． Ke y wo r ds e a r t h q u a k e hi g h i n c i d e n c e a r e a ；s t e e l s t r u c t u r e p l a nt b ui l di n g ； s t r u c t u r a l de s i g n o pt i mi z a t i o n 上接 第 4 1 页 Ap p l i c a t i o n o f I N t o o l s i n HP A L p r o j e c t WA N G X i a o - j i n g Abs t r ac t I Nt o o l s i s a d e s i g n s o f t wa r e f o r i ns t ru me n t e n g i n e e r i n g ．ENFI a p pl i e d a n d d e v e l o p e d t h i s s o f t wa r e i n HP A L p r o j e c t for t h e fi r s t t i me ． T h i s a r t i c l e i n t r o d u c e d i t s u s i n g i n p r o j e c t a n d s u m ma r i z e d i t s a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s ． Ke y wo r dI Nt o o l s ；HPAL；i n s t ru me n t d e s i g n