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1、 石油化工設(shè)計 Petrochemical Design 預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)在石化改擴建設(shè)計中的應(yīng)用探討 侯金強 (中國石化工程建設(shè)有限公司，北京100101) 摘要：簡要介紹了預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)體系的原理及優(yōu)點，并結(jié)合對石化裝置改擴建項目中有關(guān)環(huán)境因素、 荷載條件、施工要求等特殊的設(shè)計條件的分析，對其體系的局限性及適用性進行了論述。針對當前預(yù)應(yīng) 力鋼結(jié)構(gòu)體系在石化廠改擴建設(shè)計中存在的問題，提出了相應(yīng)的解決方案。由于缺乏直接的工程實例數(shù) 據(jù)，僅根據(jù)其原理，借鑒其在民用領(lǐng)域的成功案例對其在石化改擴建領(lǐng)域可行的結(jié)構(gòu)形式進行了設(shè)想和 探討。 關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu) 石化改擴建裝置 加固 預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)學(xué)科從誕生到現(xiàn)

2、在經(jīng)歷了近60 年的時間，尤其是20世紀末以來，隨著新材料、新 技術(shù)、新理論的發(fā)展，涌現(xiàn)了一批基于預(yù)應(yīng)力鋼結(jié) 構(gòu)原理的新型的結(jié)構(gòu)體系，如張弦結(jié)構(gòu)、吊掛結(jié) 構(gòu)、索穹頂結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu)、以及我國自行開發(fā)的 索托結(jié)構(gòu)等，進入2l世紀，新型預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)大 量運用到工程中。這些結(jié)構(gòu)受力合理，耗用材料 小、造型新穎，推動了預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)在民用領(lǐng)域的 發(fā)展。相比而言，工業(yè)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的發(fā)展相對滯后， 近些年鮮有影響力大的案例。 1預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)原理及特點 11預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)原理 與預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)相比，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)設(shè) 計思想及結(jié)構(gòu)均與之有所不同，已經(jīng)從基本構(gòu)件 領(lǐng)域擴展到了結(jié)構(gòu)體系范疇。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)通常 是通過

3、在鋼結(jié)構(gòu)中引入高強度的承載構(gòu)件，施加 預(yù)應(yīng)力，改變傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形分布，降低荷 載作用下的內(nèi)力與變形峰值，從而提高結(jié)構(gòu)承載 能力，降低建造成本。其作用機理如下 ： 1)通過施加與構(gòu)件荷載效應(yīng)相反符號的預(yù)應(yīng) 力，來改變結(jié)構(gòu)承受荷載前的應(yīng)力場及變形形態(tài)， 在承受荷載時，通過荷載與預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的抵消作 用，擴大了結(jié)構(gòu)承受荷載能力的幅度。 2)通過施加預(yù)應(yīng)力，將本來由普通材料承擔 的內(nèi)力轉(zhuǎn)移到高強度材料中去，以充分利用材料 的彈性強度潛力。 3)通過施加預(yù)應(yīng)力，可改善結(jié)構(gòu)荷載內(nèi)力的 質(zhì)量。由力學(xué)原理可知 ，彎矩作用受材料的邊 緣應(yīng)力控制，壓力受穩(wěn)定應(yīng)力控制，拉力由材料強 度控制；就鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)效率而

4、言，承受軸向力優(yōu) 于彎矩作用，拉力作用優(yōu)于壓力作用。經(jīng)過合理 的布置預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，可以將高強度拉索(桿)作為 承拉構(gòu)件，由穩(wěn)定性可靠的構(gòu)件來承壓，減小構(gòu)件 中的彎矩，從而提高結(jié)構(gòu)效率，節(jié)約材料。 4)通過施加預(yù)應(yīng)力可以提高結(jié)構(gòu)剛度及穩(wěn)定 性，改善結(jié)構(gòu)的動力性能。 12預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)特點 預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)體系中，結(jié)構(gòu)受力合理，材料強 度潛力利用充分，性能可靠，能有效地節(jié)約鋼材。 一般而言，在實腹與格構(gòu)中采用單次預(yù)應(yīng)力與非 預(yù)應(yīng)力同類結(jié)構(gòu)相比可以多獲得1020的經(jīng) 濟效益，而采用多次預(yù)應(yīng)力技術(shù)則可以節(jié)約 2040材料，用新型的預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)體系 時，節(jié)約鋼材的幅度更大。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)體系節(jié) 省材料、自重輕、

5、適用跨度大、施工快捷方便，綜合 經(jīng)濟效益明顯。 收稿日期：20140828。 作者簡介：侯金強，男，2002年畢業(yè)于天津大學(xué)建筑工 程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，工程師，現(xiàn)從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。聯(lián) 系電話：01084878527：Email：houjinqiangseisin opecCOIll 2015年第3期(第32卷) 侯金強預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)在石化改擴建設(shè)計中的應(yīng)用探討 37 2 預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)在改擴建裝置中的應(yīng)用 21 石化裝置改擴建工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點 石化裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計中，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用所占比 例較大，常見的鋼結(jié)構(gòu)類型有：管架、框架、塔架、 廠房等。根據(jù)工藝功能及設(shè)備情況不同，各類結(jié) 構(gòu)又可以細分多種類型。鋼

6、結(jié)構(gòu)布置主要受設(shè) 備、管線、儀表電氣橋架等條件制約。工藝功能不 同，結(jié)構(gòu)差異性較大?？傮w而言，石化裝置中鋼結(jié) 構(gòu)設(shè)計的特點主要有：承受重荷載的情況多；結(jié)構(gòu) 布置的限定條件苛刻；部分結(jié)構(gòu)受設(shè)備震動的影 響；類型復(fù)雜、高度和跨度大的結(jié)構(gòu)多；火災(zāi)隱患 大，石化大氣環(huán)境對結(jié)構(gòu)鋼材的腐蝕性強等。 已建成的石化裝置經(jīng)常因生產(chǎn)及工藝的要求 而對結(jié)構(gòu)進行加固和改造，出于經(jīng)濟方面考慮，改 造施工一般安排在設(shè)備檢修期間進行，工期短，且 石化廠屬于易燃、易爆環(huán)境，動火控制更為嚴格。 這就要求改造方案合理、高效、現(xiàn)場焊接工作量 少，盡量能在不停產(chǎn)的情況下部分施工穿插進行。 22預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用設(shè)想 在石化改擴建裝置設(shè)

7、計中，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)因 為結(jié)構(gòu)高效、布置靈活、施工方便快捷、現(xiàn)場焊接 工作量少，而具有良好的適應(yīng)性?？梢跃C合利用 預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)體系各種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點，通過提 高構(gòu)件承載能力、改變結(jié)構(gòu)計算簡圖、改善結(jié)構(gòu)邊 界條件等手段，將新增加的荷載及拆除構(gòu)件中的 力轉(zhuǎn)移到新增構(gòu)件中去。 221在梁加固中的應(yīng)用 梁加固的目的通常是減小撓度變形和增加抗 彎承載力，采用普通鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時，加固時通常采 用加大截面法，即增大梁翼緣和腹板的厚度、或增 大梁的截面高度，這種方案首先需要通過臨時支 撐對原有結(jié)構(gòu)卸載，新增零部件需要增加大量的 焊接工作，由于受既有結(jié)構(gòu)的制約，焊接條件不 利，不可避免會采用仰焊等方式，這樣焊接質(zhì)量

8、很 難保證，并且大范圍的焊接動火作業(yè)也難以保障 安全。 若采用預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)方案，不需要先對結(jié)構(gòu) 卸載，這樣焊接工作量僅限于梁端錨固部件，易于 控制動火范圍。本文以預(yù)應(yīng)力實腹梁和張弦梁為 例說明預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的特點。 1)預(yù)應(yīng)力實腹梁的應(yīng)用。 預(yù)應(yīng)力實腹梁是在普通鋼結(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ) 上，局部的引入預(yù)應(yīng)力拉索、拉桿，以改善結(jié)構(gòu)性 能。由于原理及構(gòu)造簡單，適用性最為廣泛。可 以應(yīng)用在承受重載的管架梁、框架梁、設(shè)備支撐梁 的加固設(shè)計中。通過張拉鋼索，在受拉翼緣中產(chǎn) 生預(yù)壓應(yīng)力以平衡荷載拉應(yīng)力，從而延長梁的彈 性受荷范圍，提高抗彎承載力及剛度，減小撓度變 形。常用布索方式如圖1所示。 (a)全梁式 (h)局

9、部式 (c)單支點斜式 (d)二支點斜式 圖1預(yù)應(yīng)力實腹常用布索方式 2)預(yù)應(yīng)力張弦梁的應(yīng)用。 典型的張弦梁結(jié)構(gòu)如圖2所示，由橫梁、撐桿 和鋼拉索組成。對鋼拉索施加預(yù)應(yīng)力使撐桿產(chǎn)生 向上的支撐力，由于下弦的拉力與上弦的壓力平 衡，整個構(gòu)件屬于自平衡結(jié)構(gòu)，因此預(yù)應(yīng)力對關(guān)聯(lián) 構(gòu)件的影響較小。 rj +_一1 r i _1 =l = 二 (a)單撐桿式 (h)二撐桿式 (cJ多撐桿式 圖2張弦梁結(jié)構(gòu)示意 1一橫梁；2一撐桿；3一鋼拉索 張弦梁結(jié)構(gòu)由于體系簡單、受力明確、充分發(fā) 揮剛?cè)醿煞N材料的優(yōu)勢，最能體現(xiàn)預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu) 的特點。在石化裝置結(jié)構(gòu)加固改造中有廣泛的適 38 石油化工設(shè)計 2015年第3期

10、(第32卷) 用性?？梢詰?yīng)用在承受重荷載以及大跨度的各種 梁承重的部位，如管架梁、設(shè)備支撐梁的加固等， 由于結(jié)構(gòu)的內(nèi)力臂比預(yù)應(yīng)力實腹梁大，因此承載 效率更高。 多撐桿的張弦梁，適用跨度更大的結(jié)構(gòu)，可以 在某些部位替代桁架。如石化裝置管架在跨馬路 處的大跨度管架結(jié)構(gòu)，以及需要減柱設(shè)計的部位， 多采用此種方式。 222在桁架加固中的應(yīng)用 桁架在石化裝置中多用于大跨度廠房及過馬 路的大跨度管架結(jié)構(gòu)，屬二力桿體系，構(gòu)件多，斷 面較小，采用普通鋼結(jié)構(gòu)方式加固較困難。 采用預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)方案時，通過布置高強度 鋼拉索，施加預(yù)應(yīng)力，將結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力直接引流到 豎向構(gòu)件，以提高承載能力及減小撓度變形。以 石化裝置

11、結(jié)構(gòu)中常見的上承式桁架為例，結(jié)構(gòu)加 固示意見圖3。 (a)體內(nèi)式 (c)斜拉或索托式 圖3 上承式桁架預(yù)應(yīng)力加固示意 223在柱加固中的應(yīng)用 對于穩(wěn)定應(yīng)力不足的柱，可通過預(yù)應(yīng)力拉索 (桿)及支撐構(gòu)件組成的彈性支撐提高側(cè)向剛度， 減小構(gòu)件計算長度，提高壓桿的臨界壓力，示意圖 見圖4。索的張力相當于給壓桿提供了一個彈性 支座，在文獻3中，臨界荷載(F ，N)與彈性支 座剛度( ，Nm)的關(guān)系為： r k：0 _i 【 f 。， Z 其中：E材料彈性模量，Nm ；，一截面 慣性矩，m ；壓桿長度，m。 且口當 時，失穩(wěn)形式與 (簡支 桿)的失穩(wěn)形式相同，如圖5(a)所示；當k 時，失穩(wěn)形式與 =(連

12、續(xù)桿)的失穩(wěn)形 式相同，如圖5(b)所示。 (a)單撐桿 (h)二撐桿 (c)=：撐桿 (d)局部單撐桿 圖4柱預(yù)應(yīng)力加固示意 1一中心柱；2一鋼拉索(桿)；3一撐桿 二=二 二二二 (a1 (b) 圖5失穩(wěn)形式與彈性支座剛度的關(guān)系示意 石化裝置改擴建設(shè)計中，經(jīng)常出現(xiàn)因現(xiàn)場條 件限制，某些框架梁無法拉通，造成框架柱在該方 向的長細比超限。此時可以通過按上述方式局部 柱施加預(yù)應(yīng)力彈性支撐，如圖4(d)所示，以減小 柱的計算長度，從而滿足穩(wěn)定性的要求。 224在結(jié)構(gòu)整體加固中的應(yīng)用 石化裝置改擴建中，由于設(shè)備、荷載、結(jié)構(gòu)高 度、結(jié)構(gòu)形式的變化，建(構(gòu))筑物可能出現(xiàn)抗側(cè)剛 度不滿足計算要求的情況。斜

13、撐作為主要的抗側(cè) 力構(gòu)件，其布置受到層高、管線布置、設(shè)備布置等 影響。其長細比超限而無法承受壓力，可能與管 線設(shè)備碰撞。這種情況下可以考慮采用預(yù)應(yīng)力拉 索(桿)代替或輔助斜撐提供側(cè)向剛度，預(yù)應(yīng)力鋼 拉索(桿)由于截面較小，減少了與管線設(shè)備碰撞 的概率，布置相對靈活，施工快捷；預(yù)拉應(yīng)力的存 在，使得拉索(桿)在預(yù)拉力值的范圍內(nèi)，獲得了抵 2015年第3期(第32卷) 侯金強預(yù)應(yīng)力銅結(jié)構(gòu)在石化改擴建設(shè)計中的應(yīng)用探討 39 抗壓力的能力，大大改善了結(jié)構(gòu)性能。根據(jù)文獻 4，在斜撐構(gòu)件中引入預(yù)應(yīng)力，可以使結(jié)構(gòu)的抗 側(cè)剛度提高十幾倍。 23存在的問題 1)防火問題。 火災(zāi)情況下，隨著溫度的升高，由于預(yù)應(yīng)力

14、構(gòu) 件的徐變，預(yù)應(yīng)力松弛引起內(nèi)力重分布及結(jié)構(gòu)剛 度喪失，可能先于強度退化的速度而提前造成整 體結(jié)構(gòu)的破壞，預(yù)應(yīng)力度越大的結(jié)構(gòu)耐火性能越 差。與普通鋼結(jié)構(gòu)相比，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)對火災(zāi)更 加敏感 J。石化裝置火災(zāi)概率大，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu) 設(shè)計時，解決防火問題是重中之重。 2)防腐蝕問題。 石化裝置鋼結(jié)構(gòu)工作環(huán)境較為嚴酷，防腐問 題不可忽視。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件往往處于高應(yīng)力 狀態(tài)，結(jié)構(gòu)體內(nèi)蘊含的能量較高，腐蝕造成的安全 度降低影響較大，尤其是鋼拉索，應(yīng)格外重視應(yīng)力 腐蝕問題。 3)預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)要求高。 相對于普通鋼結(jié)構(gòu)工程，預(yù)應(yīng)力的施工工藝 較為復(fù)雜，施工條件成為制約預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù) 發(fā)展的一個不可忽視的因

15、素。 4)設(shè)計人的設(shè)計習(xí)慣及標準設(shè)計資源不足。 由于預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)分析相對復(fù)雜，在具體設(shè) 計工作時，人們往往傾向選擇更為成熟的普通鋼 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系；同時，普通鋼結(jié)構(gòu)體系經(jīng)過多年的 積累，已經(jīng)形成了非常完備的標準設(shè)計體系，有著 豐富的標準設(shè)計圖集資源，大大簡化了設(shè)計的工 作量，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)體系，目前尚缺乏配套的標準 設(shè)計資源，很大程度上影響了普遍的推廣應(yīng)用。 24解決問題的途徑 1)在防火問題上，首先，根據(jù)結(jié)構(gòu)防火要求合 理的選擇預(yù)應(yīng)力方案；其次，優(yōu)選高溫下低松弛的 預(yù)應(yīng)力材料，同時加強防火構(gòu)造措施；第三，做好 火災(zāi)工況的結(jié)構(gòu)分析，使預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的耐火能力 與整體結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)。 在文獻6中，對防火部分

16、有詳細的規(guī)定。鋼 拉索(桿)是施加預(yù)應(yīng)力的重要手段，是防火設(shè)計 的核心，具體到石化裝置改擴建設(shè)計中，鋼拉索結(jié) 構(gòu)的防火可優(yōu)先采用鋼管內(nèi)布索，鋼管外防火保 護的方式。其余部分的防火做法可與普通鋼結(jié)構(gòu) 相似。 2)在防腐蝕問題上，文獻6中有詳細的相關(guān) 規(guī)定。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕措施比普通鋼結(jié)構(gòu) 更加嚴格，可以在關(guān)鍵部位加大防腐細節(jié)控制，增 加防腐蝕余量。在鋼拉索仿腐方面，可以采用帶 自防腐能力的合金材料拉索或者采用帶有防腐保 護層的拉索，以及控制拉索的應(yīng)力比，防止應(yīng)力腐 蝕，增加安全儲備。 3)在施工問題上，近些年預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)的 進步，行業(yè)的發(fā)展，為預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了 良好的外部環(huán)境。預(yù)應(yīng)

17、力構(gòu)件的標準化、模塊化， 以及開發(fā)簡單有效地預(yù)應(yīng)力施加工藝，是解決施 工問題的重要途徑。 4)在設(shè)計習(xí)慣及標準設(shè)計資源方面，需要國 家、行業(yè)、企業(yè)編制一些針對預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)方面的 設(shè)計手冊、導(dǎo)則、圖集，以方便選用，提高預(yù)應(yīng)力技 術(shù)的易用性。 3 結(jié)語 預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)體系，是普通鋼 結(jié)構(gòu)體系的重要補充。其應(yīng)用前景廣泛，在石化 裝置改擴建設(shè)計中，通過專門的設(shè)計考慮，有著很 好的適用性，由于目前體系尚缺乏配套的標準設(shè) 計資源，某些領(lǐng)域仍需要進一步技術(shù)攻關(guān)和完善， 普遍推廣尚有難度。在今后的設(shè)計中，可以根據(jù) 其原理，開發(fā)局部的相關(guān)應(yīng)用，最大限度的利用鋼 結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力技術(shù)本身的優(yōu)點，節(jié)約材料，提高經(jīng) 濟效益。 參考文獻： 1 陸賜麟，尹思明，劉錫良現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)(2版修訂版) M北京：人民交通出版社，2006：3335 2 (以色列)哈瑙爾著；趙作周，郭紅仙譯結(jié)構(gòu)原理M北 京：建筑工業(yè)出版社，2003 3單建趣味結(jié)構(gòu)力學(xué)M北京：高等教育出版社，2008： 127129 4 黃海波預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的特點及應(yīng)用J泰州職業(yè)技術(shù)學(xué) 院報，2005，5(1)：4042 5黃彤斌預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)抗火研究綜述J廣東建材，2008， 8：1315 6CECS 212：2006預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程S