预应力钢结构在石化改扩建设计中的应用探讨.pdf

石 油 化 工设 计 Pe t r o c h e mi c a l De s i g n 预应 力钢结构在石化改扩建设计 中的应用探讨 侯 金 强 中国石化 工程建设有 限公 司，北京 1 0 0 1 0 1 摘要 简要介 绍了预应 力钢 结构体 系的原理及优 点， 并结合对石化装置改扩建项 目中有关环境 因素 、 荷载条件 、 施 工要 求等特殊 的设 计条件 的分析 ， 对其体 系的局 限性及适 用性进行 了论 述。针对 当前预 应 力钢结构体系在石化厂改扩建设计中存在的问题， 提出了相应的解决方案。由于缺乏直接的工程实例数 据， 仅根据其原理， 借鉴其在民用领域的成功案例对其在石化改扩建领域可行的结构形式进行了设想和 探 讨 。 关键词 预 应力钢 结构 石化改扩建装置 加 固 预应力钢结构学科从诞生到现在经历了近 6 0 年的时间， 尤其是 2 0世纪末 以来 ， 随着新材料 、 新 技术 、 新理论的发展 ， 涌现了一批基于预应力钢结 构原理的新 型 的结构体 系 ， 如 张弦结 构 、 吊挂结 构 、 索穹顶结构 、 索膜结 构 、 以及我 国 自行开发 的 索托结构等 ， 进入 2 l 世纪 ， 新型预应力 钢结构大 量运用到工程 中。这些 结构受力合理 ， 耗用材料 小 、 造型新颖 ， 推动了预应力钢结构在民用领域的 发展 。相 比而言 ， 工业结构领域 的发展相对滞后 ， 近些年鲜有影响力大的案例。 1 预应力钢结构技术原理及特点 1 ． 1 预应力钢结构技术原理 与预应力混凝土结构相 比， 预应力 钢结构设 计思想及结构均与之有所不 同， 已经从 基本构件 领域扩展到 了结构体 系范畴。预应力钢结构通常 是通过在钢结构 中引入高 强度的承载构件 ， 施加 预应力 ， 改变传统结构 的内力与变形分布 ， 降低荷 载作用下的内力与变形峰值 ， 从 而提高结构承载 能力 ， 降低建造成本。其作用机理如下 1 通过施加与构件荷载效应相反符号的预应 力 ， 来改变结构承受荷载前的应力场及变形形态 ， 在承受荷载 时， 通过荷 载与预应力效应的抵消作 用 ， 扩大了结构承受荷载能力的幅度。 2 通过施加预应力 ， 将本来 由普通材料承担 的内力转移 到高强度材料 中去 ， 以充分利用材料 的弹性 强度 潜力 。 3 通过施加预应力 ， 可改善结构荷载 内力 的 质量。由力学原理可知 ， 弯矩作用受材料 的边 缘应力控制， 压力受稳定应力控制 ， 拉力 由材料强 度控制 ； 就钢结构的结构效率而言， 承受轴 向力优 于弯矩作用 ， 拉力作 用优于压力作用。经过合理 的布置预应力构件 ， 可 以将 高强度拉索 杆 作 为 承拉构件 ， 由稳定性可靠 的构件来承压 ， 减小构件 中的弯矩 ， 从而提高结构效率 ， 节约材料 。 4 通过施加预应力可以提高结构刚度及稳定 性 ， 改善结构的动力性能。 1 ． 2 预应力钢结构特点 预应力钢结构体系中， 结构受力合理 ， 材料强 度潜力利用充分 ， 性能可靠 ， 能有效 地节约钢材。 一 般而言 ， 在实腹 与格构 中采用单次预应力与非 预应力同类结构相比可以多获得 1 0 ％ ～ 2 0 ％的经 济效 益 ， 而 采 用 多 次 预 应 力 技 术 则 可 以 节 约 2 0 ％ ～ 4 0 ％材料 ， 用新 型的预应力 空间结构体系 时， 节约钢材 的幅度更 大。预应力钢结构体 系节 省材料 、 自重轻 、 适用跨度大 、 施工快捷方便 ， 综合 经济效益明显。 收稿 日期 2 0 1 4 0 8 2 8 。 作者简介 侯金强， 男， 2 0 0 2年毕业于天津大学建筑工 程专业， 工学学士， 工程师， 现从事结构设计工作。联 系电话 0 1 0～8 4 8 7 8 5 2 7 Em a i l h o u j i n q i a n g ． s e i s i n o pe c C O I l l 2 0 1 5年第 3期 第 3 2卷 侯金强． 预应力钢结构在石化改扩建设计中的应用探讨 3 7 2 预应力钢结构在改扩建装置 中的应用 2 ． 1 石化装置改扩建工程结构设计的特点 石化装置结构设计 中， 钢结构 的应用所 占比 例较大 ， 常见 的钢结构类型有 管架 、 框架 、 塔 架 、 厂房等。根据工艺功 能及设 备情况不 同， 各 类结 构又可 以细分 多种 类 型。钢结 构布 置主 要受设 备 、 管线 、 仪表电气桥架等条件制约 。工艺功能不 同， 结构差异性较大。总体而言 ， 石化装置 中钢结 构设计的特点主要有 承受重荷载的情况多； 结构 布置的限定条件苛刻 ； 部分结构受设备震动 的影 响； 类型复杂 、 高度 和跨度 大的结构多 ； 火灾 隐患 大 ， 石化大气环境对结构钢材的腐蚀性强等。 已建成的石化装置经常因生产及工艺 的要求 而对结构进行加 固和改造 ， 出于经济方面考虑 ， 改 造施工一般安排在设备检修期 间进行 ， 工期短 ， 且 石化厂属于易燃 、 易爆环境 ， 动火控制更为严格 。 这就要求 改造方 案合理 、 高 效 、 现 场焊接 工作 量 少 ，尽量能在不停产的情况下部分施工穿插进行。 2 ． 2预应力钢结构应用设想 在石化改扩建装置设计 中 ， 预应力钢结 构 因 为结构高效 、 布置灵活 、 施 工方便快捷 、 现场 焊接 工作量少 ， 而具 有 良好的适应性。可 以综合 利用 预应力钢结构体系各种结构形式 的优点 ， 通过提 高构件承载能力 、 改变结构计算简图 、 改善结构边 界条件等手段 ， 将新增加 的荷载及拆 除构件 中的 力转移到新增构件中去。 2 ． 2 ． 1 在梁加 固中的应用 梁加固的目的通常是减小挠度变形和增加抗 弯承载力 ， 采用普通钢结构设计时， 加 固时通常采 用加大截面法 ， 即增大梁翼缘和腹板 的厚度 、 或增 大梁的截面高度 ， 这种方案首先需要 通过临时支 撑对原有结构卸载 ， 新增零部 件需 要增加大量 的 焊接工作 ， 由于受 既有结 构 的制 约 ， 焊 接条 件不 利 ， 不可避免会采用仰焊等方式 ， 这样焊接质量很 难保证 ， 并且大范 围的焊接动 火作业也难 以保 障 安全 。 若采用预应力 钢结构方案 ， 不需要先 对结构 卸载 ， 这样焊接工作量仅限于梁端锚 固部件 ， 易于 控制动火范围。本文以预应力实腹 梁和张弦梁 为 例说 明预应力钢结构的特点。 1 预应力实腹梁的应用 。 预应力 实腹 梁是在普 通钢结 构体 系 的基础 上 ， 局部 的引入预应力拉索 、 拉杆 ， 以改善结构性 能 。由于原 理及构造简单 ， 适用性最 为广泛。可 以应用在承受重载的管架梁 、 框架梁 、 设备支撑梁 的加固设计 中。通过张拉钢索 ， 在受拉翼缘 中产 生预压应力 以平衡荷载拉应力 ， 从而延长梁 的弹 性受荷范围， 提高抗弯承载力及 刚度 ， 减小挠度变 形 。常用布索方式如图 1 所示。 a 全梁式 h 局 部式 c 单支点斜式 d 二 支点斜式 图 1 预应力实腹常用布索方式 2 预应力张弦梁的应用 。 典型的张弦梁结构如 图 2所示 ， 由横梁 、 撑杆 和钢拉索组成。对钢拉索施加预应力使撑杆产生 向上的支撑力 ， 由于下弦的拉力与上弦 的压力平 衡 ， 整个构件属于 自平衡结构 ， 因此预应力对关联 构件的影响较小。 r． ．． ． ．． ．j ． ． ． ． ． _一1 r ． ． i ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． __1 l 二 a 单撑杆式 h 二撑杆式 c J 多 撑 杆式 图 2 张弦梁结构示意 1一横梁 ； 2一撑杆 ； 3一钢拉索 张弦梁结构 由于体 系简单 、 受力明确 、 充分发 挥刚柔两种材料的优势 ， 最 能体 现预应力 钢结构 的特点。在石化装置结构加固改造 中有广泛 的适 3 8 石 油 化 工 设 计 2 0 1 5年第 3 期 第3 2 卷 用性。可以应用在承受重荷载 以及 大跨度的各种 梁承重的部位 ， 如管架梁 、 设 备支撑梁 的加 固等 ， 由于结构 的内力臂 比预应力实腹梁大 ， 因此承 载 效率更高。 多撑杆的张弦梁 ， 适用跨度更大的结构 ， 可以 在某些部位替代桁架。如石化装置管架在跨马路 处的大跨度管架结构 ， 以及需要减柱设计 的部位 ， 多采用此种方式。 2 ． 2 ． 2在桁架加固中的应用 桁架在石化装置中多用于大跨度厂房及过马 路的大跨度管架结构 ， 属二力杆体系 ， 构件 多， 断 面较小 ， 采用普通钢结构方式加固较困难。 采用预应力钢结构方案时 ， 通过布置高强度 钢拉索， 施加预应力 ， 将结构 中的内力直接引流到 竖向构件 ， 以提高 承载能力及减小挠度变形。以 石化装置结构 中常见的上承式桁 架为例 ， 结构加 固示意见图 3 。 a 体 内式 c 斜拉或索托式 图 3 上 承式桁架预应 力加 固示意 2 ． 2 ． 3在柱加固中的应用 对于稳定应力不足 的柱 ， 可通 过预应 力拉索 杆 及支撑构件组成的弹性支撑提高侧 向刚度 ， 减小构件计算长度 ， 提高压杆的临界压力 ， 示意 图 见图 4 。索的张力相 当于给压杆提供 了一个弹性 支座 ， 在文献 [ 3 ] 中， 临界荷载 F ， N 与弹性支 座刚度 ， N ／ m 的关系为 r k0 _ i ≥ 【 f 。， Z 其中 E 材料 弹性模 量 ， N ／ m ； ， 一截面 惯性矩 ， m ； ￡ 压杆长度， m。 且 口 当 ≤ 时， 失稳形 式与 简支 杆 的失 稳 形 式 相 同， 如 图 5 a 所 示 ； 当 k≥ 时， 失稳形式 与 ∞ 连续杆 的失稳形 式相同， 如图5 b 所示 。 a 单撑 杆 h 二撑杆 c 撑杆 d 局部单撑杆 图 4 柱预应力加 固示 意 1一中心柱 ； 2一钢拉索 杆 ； 3一撑杆 二 二 ．二 二 二 a 1 ≤ b ≥ 图 5 失稳形式与弹性支座刚度的关系示意 石化装置改扩建设计 中， 经 常出现 因现 场条 件限制 ， 某些框架梁无法拉通 ， 造成框架柱在该方 向的长细比超 限。此时可 以通过按上述方式局部 柱施加预应力弹性支撑 ， 如 图 4 d 所示 ， 以减小 柱的计算长度 ， 从而满足稳定性的要求 。 2 ． 2 ． 4在结构整体加固中的应用 石化装置改扩建 中， 由于设 备 、 荷载 、 结构高 度 、 结构形式 的变化 ， 建 构 筑物可能出现抗侧 刚 度不满足计算要求的情况。斜撑作 为主要的抗侧 力构件 ， 其布置受到层高 、 管线 布置 、 设备布置 等 影响。其长细 比超 限而无法承 受压力 ， 可能与管 线设备碰撞 。这种情况下可以考虑采用预应力拉 索 杆 代替或辅助斜撑提供侧 向刚度 ， 预应力 钢 拉索 杆 由于截面较小 ， 减少了与管线设备碰撞 的概率， 布置相对灵活 ， 施工快捷 ； 预拉应力 的存 在 ， 使得拉索 杆 在预拉力值的范围内， 获得 了抵 2 0 1 5年第 3期 第 3 2卷 侯金 强． 预应 力铜 结构在石化 改扩 建设计 中的应用探 讨 3 9 抗压力的能力 ， 大大改善 了结 构性能。根据 文献 [ 4] ， 在斜撑构件中引入预应力 ， 可以使结构 的抗 侧刚度提高十几倍 。 2 ． 3 存在 的问题 1 防火问题。 火灾情况下 ， 随着温度的升高 ， 由于预应力构 件的徐变， 预应力松 弛引起 内力重分布及结构 刚 度丧失 ， 可能先 于强度退化 的速度而提前造成整 体结构的破坏 ， 预应力度越 大的结构耐火性能越 差。与普通钢结构相 比， 预应力钢结构对火灾更 加敏感 J 。石化装置火灾概率大 ， 预应力钢结构 设计时 ， 解决防火问题是重 中之重。 2 防腐蚀 问题 。 石化装置钢结 构工作环境较为严酷 ， 防腐 问 题不可忽视。预应力钢结构构件往往处于高应力 状态 ， 结构体 内蕴含的能量较高 ， 腐蚀造成的安全 度降低影响较大 ， 尤其是钢拉索 ， 应格外重视应力 腐蚀问题 。 3 预应力施工技术要求高。 相对于普通钢结 构工程 ， 预应力 的施 工工艺 较为复杂 ， 施工条件成为制 约预应力 钢结构技术 发展的一个不可忽视的因素。 4 设计人的设计 习惯及标准设计资源不足。 由于预应力钢结构分 析相对复杂 ， 在 具体设 计工作时 ， 人们往往倾 向选择更 为成熟 的普通钢 结构结构体系； 同时， 普通钢结构体系经过多年的 积累， 已经形成 了非常完备 的标准设计体系 ， 有着 丰富的标准设计 图集 资源 ， 大大简化 了设 计 的工 作量 ， 预应力钢结构体系 ， 目前 尚缺乏配套 的标准 设计资源 ， 很大程度上影响了普遍的推广应用。 2 ． 4 解 决 问题 的途 径 1 在防火问题上 ， 首先 ， 根据结构防火要求合 理 的选择预应力方案 ； 其次 ， 优选高温下低松弛 的 预应力材料 ， 同时加强 防火构造措施 ； 第三 ， 做好 火灾工况的结 构分析 ， 使预应力构件 的耐 火能力 与整体结构相协调。 在文献 [ 6 ] 中， 对防火部分有详细的规定 。钢 拉索 杆 是施加 预应力 的重要手段 ， 是 防火设计 的核心 ， 具体到石化装置改扩建设计 中， 钢拉索结 构的防火可优先采用钢管 内布索， 钢管外防火保 护的方式 。其余部分的防火做法可与普通 钢结构 相 似 。 2 在防腐蚀问题上 ， 文献 [ 6 ] 中有详细的相关 规定 。预应力钢结构的防腐蚀措施 比普通钢结构 更加严格 ， 可以在关键部位加大 防腐细节控制 ， 增 加防腐蚀余量 。在钢拉索仿腐方面 ， 可以采用带 自防腐能力的合金材料拉索或者采用带有 防腐保 护层的拉索 ， 以及控制拉索的应力 比， 防止应力腐 蚀 ， 增加安全储备。 3 在施工 问题上 ， 近些 年预应力施 工技术 的 进步 ， 行业 的发展 ， 为预应力钢结构 的发展提供了 良好的外部环境。预应力构件的标准化 、 模块化 ， 以及开发简单有效地预应力施加工艺 ， 是解决施 工问题 的重要途径。 4 在设计 习惯及标准设计资源方面 ， 需要 国 家 、 行业 、 企业编制一些针对预应力钢结构方面的 设计手册 、 导则 、 图集 ， 以方便选用 ， 提高预应力技 术 的易用性 。 3 结语 预应力钢结构是优 秀的结构体 系， 是普通钢 结构体系的重要补充。其应用前景广泛 ， 在石化 装置改扩建设计 中， 通过专 门的设计考虑 ， 有着很 好 的适用性 ， 由于 目前体系 尚缺乏配套 的标准设 计资源， 某些领域仍需要进一步技术攻关和完善 ， 普遍推广 尚有难度。在今后 的设计 中， 可 以根据 其原理 ， 开发局部的相关应用 ， 最大限度 的利用钢 结构和预应力技术本身 的优点 ， 节约材料， 提高经 济效益 。 参考文献 [ 1 ] 陆赐麟 ， 尹思明 ， 刘锡 良．现代预应 力钢结构 2版修订 版 [ M] ．北京 人 民交通出版社 ， 2 0 0 6 3 3 3 5 ． [ 2 ] 以色列 哈瑙尔著 ； 赵作 周， 郭红仙 译．结 构原理 [ M] ．北 京 建筑工业 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 3 ] 单建．趣 味结构 力学 [ M] ．北 京 高等教 育 出版 社 ， 2 0 0 8 1 2 7 1 2 9 ． [ 4] 黄海波．预应力钢结构 的特点及应用 [ J ] ．泰州职业技 术学 院报 ， 2 0 0 5， 5 1 4 0 4 2 ． [ 5 ] 黄彤斌．预应力钢结构抗火研究综述[ J ] ．广东建材 ， 2 0 0 8 ， 8 1 3 1 5． [ 6 ] C E C S 2 1 2 2 0 0 6 ．预应力钢结构技术规程 [ S ] ．