工業(yè)設(shè)備支撐體系方案優(yōu)化思路分析

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【摘要】設(shè)備承重支撐體系是一種特殊的結(jié)構(gòu)形式，在我國工業(yè)項目中的應(yīng)用范圍越來越廣，設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)體系類似于民建鋼框架結(jié)構(gòu)、鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)體系。重型設(shè)備的支撐點主要集中在結(jié)構(gòu)體系的局部樓層，導(dǎo)致上下樓層質(zhì)量、剛度比例偏差較大，設(shè)備布置偏心，不滿足抗震設(shè)防要求[1]。隨著傳統(tǒng)工業(yè)的工藝技術(shù)不斷革新、新型工藝技術(shù)的發(fā)展、重型設(shè)備的出現(xiàn)，優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)承重支撐體系勢在必行。在滿足承載能力和使用要求的前提下，可打破常規(guī)規(guī)則與相對不規(guī)則結(jié)構(gòu)形式間的界限。依據(jù)結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計條件[2]、操作樓層和承重樓層分別設(shè)計的優(yōu)化思路，對降低鋼材用量、節(jié)約項目成本具有現(xiàn)實意義。鑒于此，論文主要對現(xiàn)階段工業(yè)承重體系的優(yōu)缺點進(jìn)行分析，提出其承重鋼結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化的構(gòu)想和措施。 

【關(guān)鍵詞】設(shè)備支撐體系；方案優(yōu)化；工藝技術(shù)；重型設(shè)備

1引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的增長，工業(yè)企業(yè)迅速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)用量越來越大。工藝條件不斷改進(jìn)和技術(shù)加速革新，大型承重設(shè)備支撐體系方案形式多種多樣，不同的設(shè)計單位所設(shè)計的鋼結(jié)構(gòu)支撐形式和思路各不相同，暴露出方案設(shè)計方面的許多缺點和不足。鋼構(gòu)件截面形式主要有H型鋼、箱型鋼、T型鋼及組合截面形式等，鋼材強(qiáng)度高，相對砼構(gòu)件，截面穩(wěn)定性差。不同截面布置形式，抗扭、抗彎性能不一樣。所以設(shè)計者應(yīng)與工藝人員充分協(xié)調(diào)溝通，優(yōu)化工藝設(shè)備布置，主要包括：特重設(shè)備宜布置在支撐體系的底層樓面且居中布置；調(diào)整工藝管道和設(shè)備布局盡量使框架承重體系保持整體統(tǒng)一，優(yōu)化每一個構(gòu)件，使構(gòu)件之間內(nèi)力和變形協(xié)調(diào)一致，減少應(yīng)力突變；將承重部位構(gòu)件與結(jié)構(gòu)的最佳受力狀態(tài)充分發(fā)揮，提高結(jié)構(gòu)的延伸性和整體性，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體剛度和與施工抗傾覆能力；調(diào)整樓平面布局，使結(jié)構(gòu)的平面的質(zhì)量中心與外力作用中心最大化地重合，減小偏心，防止受到外力影響，使得結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。結(jié)構(gòu)承重體系的優(yōu)化必須將結(jié)構(gòu)承受荷載與相應(yīng)內(nèi)部應(yīng)力現(xiàn)象通過簡單的形式標(biāo)注。所以通過研究結(jié)構(gòu)體系承重部位、結(jié)構(gòu)整體布置、材料強(qiáng)度應(yīng)用、結(jié)構(gòu)特點、地理環(huán)境等設(shè)計要素來實現(xiàn)構(gòu)件應(yīng)力等結(jié)構(gòu)最輕設(shè)計方法，通過軟件多次迭代計算[3]，優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案體系，具有現(xiàn)實意義。

2承重結(jié)構(gòu)體系方案優(yōu)化的思路

2.1底部樓層布置重型設(shè)備的支撐框架形式優(yōu)化思路

對于支撐體系框架，重型設(shè)備支座處，設(shè)備荷載和樓層質(zhì)量最大，承重層以上多層僅為操作檢修荷載，質(zhì)量較小，上下層質(zhì)量比相差大。外荷載主要集中在承重層，樓層水平地震作用的上下分布極為不均。為了滿足框架樓層抗剪承載力不突變和構(gòu)造要求，上下樓層各豎向抗側(cè)力構(gòu)件截面尺寸偏差不能過大，否則不能滿足《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》中的結(jié)構(gòu)體系規(guī)則性要求[4]，對于其他承受水平力較輕，檢修操作層的立柱截面尺寸相對過大，造成材料成本浪費。當(dāng)前，應(yīng)打破常規(guī)設(shè)計思路，滿足大震不倒理念；增強(qiáng)承重支點部位以下抗側(cè)剛度；保證結(jié)構(gòu)體系的整體抗傾覆力矩；滿足承重部位各構(gòu)件的彈性承載力要求；使操作檢修層的部分構(gòu)件塑性變形并滿足使用要求。具體優(yōu)化思路包括：因承重層的梁柱節(jié)點處框架梁截面尺寸較大，梁線剛度遠(yuǎn)大于柱，不能滿足強(qiáng)柱弱梁要求[5]，在巨大水平力作用下，柱端容易發(fā)生塑性變形而屈服，引起結(jié)構(gòu)整體傾覆。以承重層為分界面，上下采用兩種結(jié)構(gòu)體系模式，承重層框架梁采用梁貫通形式，上部各層為樓層檢修荷載，其各層質(zhì)量均勻，無質(zhì)量突變，采用框架結(jié)構(gòu)體系。下部為主要承重抗側(cè)力體系，且質(zhì)量主要集中在承重層，下部采用框架-支撐結(jié)構(gòu)體系，豎向構(gòu)件不滿足抗側(cè)力的方向均設(shè)豎向支撐。這種混合結(jié)構(gòu)模式，增大主要承重部位豎向構(gòu)件截面尺寸，減小次要操作層構(gòu)件截面尺寸，既節(jié)約鋼材，又降低工程成本，而且施工安裝方便，在承重體系優(yōu)化方面具有借鑒意義。

2.2結(jié)構(gòu)樓層平面體系和選材優(yōu)化思路

大多數(shù)室外露天工業(yè)承重結(jié)構(gòu)體系的樓層面均采用鋼格柵板，格柵板對樓面次梁平面外約束忽略不計。滿足工藝設(shè)備布置和檢修操作的要求，盡量簡化布置次梁，并設(shè)置樓面水平斜支撐，增加樓面剛度，節(jié)約鋼材。改變相鄰樓面次梁布置方向，適當(dāng)增設(shè)垂直于跨度較大次梁間短次梁，調(diào)整樓面剛度，節(jié)約資源，一般情況下，樓面次梁間距宜按2～2.5m布置，比較經(jīng)濟(jì)。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計實質(zhì)，就是構(gòu)件材料的組合和選擇，充分利用材料的受力性能和截面屬性。不同強(qiáng)度等級的鋼材，如Q235和Q355的組合比較多[6]，一般情況下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度要求高，而穩(wěn)定性要求低的部位，宜選用Q355材質(zhì)；穩(wěn)定性要求高，而強(qiáng)度要求低的部位，宜選用Q235材料。鋼結(jié)構(gòu)承重體系的次要構(gòu)件，一般以Q235鋼材為主。結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化的實質(zhì)就是設(shè)法使各構(gòu)件的布置滿足各方向外力的明確傳力途徑，減少外力傳遞途徑，使力的傳遞少走彎路；通過軟件的反復(fù)試算，使每個結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力變形合理均衡；最終使結(jié)構(gòu)體系安全、經(jīng)濟(jì)、美觀、可靠、合理，使工程項目降低成本、節(jié)約鋼材。

3支撐體系優(yōu)化的前提

3.1了解承重結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)在特征

不同的結(jié)構(gòu)承重支撐體系方案，優(yōu)化和設(shè)計的方向、思路不一樣。宜從以下幾個方面考慮認(rèn)識結(jié)構(gòu)體系的特點：項目設(shè)備的噸位和立臥方位、支吊點部位、結(jié)構(gòu)節(jié)點的連接方式、結(jié)構(gòu)體系形式、支撐框架的作用、現(xiàn)場施工運輸要求、安裝加工方式。依據(jù)項目特點和支撐體系的作用，進(jìn)行有針對性的優(yōu)化和調(diào)整措施。例如，重型高位設(shè)備的支撐框架，其主要特點是設(shè)備外荷載質(zhì)量主要集中在框架的局部，地震引起框架局部水平力太大，結(jié)構(gòu)體系整體受力不均勻，抗震概念要求很難滿足。不同的結(jié)構(gòu)體系，其本身特點和要求不一樣。著重考慮和優(yōu)化水平力傳遞路徑及次梁的不同方位布置形式，提高抗側(cè)高度和抗傾覆力矩。

3.2了解結(jié)構(gòu)優(yōu)化的外在影響因素

設(shè)備支撐體系，不能等同于《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的民建結(jié)構(gòu)體系形式，其樓層高度和恒荷載質(zhì)點隨工藝要求不同而不同。各層高度和樓層質(zhì)量各不相同，且大多數(shù)工業(yè)支撐結(jié)構(gòu)均為無維護(hù)體系的露天結(jié)構(gòu)，受高溫設(shè)備、高溫管道、震動荷載、熱輻射、火災(zāi)等環(huán)境因素影響很大。結(jié)合項目工藝設(shè)備具體要求，不能僅依靠軟件的內(nèi)力計算確定構(gòu)件的布置和截面形式，還宜綜合考慮結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)形式、場地特征、地震烈度、室外工作溫度、風(fēng)雪影響和周圍其他裝置危險級別等進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。

4結(jié)論

承重支撐體系鋼結(jié)構(gòu)是現(xiàn)階段工業(yè)項目中支撐重型設(shè)備普遍運用的特殊結(jié)構(gòu)支撐形式，不同于民建結(jié)構(gòu)體系中的鋼框架結(jié)構(gòu)、鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)等形式，越來越被行業(yè)所關(guān)注。該結(jié)構(gòu)體系有其自身的特殊性，其層高不同，樓層載荷不同，作用不同，主要荷載質(zhì)量集中支點不同，需要設(shè)計人員應(yīng)對其不斷地研究和設(shè)計優(yōu)化?，F(xiàn)階段，行業(yè)人員沒有完全具備設(shè)備支撐體系框架結(jié)構(gòu)的理念，技術(shù)的應(yīng)用還不夠，與民建結(jié)構(gòu)體系混淆不清。因此，需要設(shè)計人員具備工業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐和理念，依據(jù)項目工藝條件和化工設(shè)備支撐體系的自身特點，合理進(jìn)行支撐體系方案的優(yōu)化設(shè)計，即特重設(shè)備的支撐，采用兩種結(jié)構(gòu)體系的組合形式，完善設(shè)計流程，熟悉項目環(huán)境和結(jié)構(gòu)特點，保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件合理受力，傳力路徑明確，從而實現(xiàn)工業(yè)設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)的健康發(fā)展，優(yōu)化支撐方案體系，節(jié)約材料，最大化地提高工業(yè)行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

【參考文獻(xiàn)】

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【2】韓冬冰,王文華,趙旗.化工開發(fā)與工程設(shè)計概論[M].北京:中國石化出版社,2010.

【3】余俊.現(xiàn)代設(shè)計方法及應(yīng)用[M].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2002.

【4】GB50191—2012構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范[S].

【5】GB50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

【6】GB50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].

作者：張國斌 單位：天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計院有限公司