SEHT_0216_管式炉钢结构设计荷载确定.pdf

设计标准设计标准 SEHT 0216- -2001 实施日期 2001 年 12 月 28 日 中国石化工程建设公司 管式炉钢结构设计荷载确定 中国石化工程建设公司 管式炉钢结构设计荷载确定 第 1 页 共 23 页 目 次 1 总则 1 总则 1.1 目的 1.2 范围 1.3 引用标准 2 一般要求 2 一般要求 2.1 作用分类 2.2 效应组合 2.3 风荷载 2.4 地震作用 附录 A附录 A 自振特性计算 附录 B附录 B 远震城镇区 1 总则 1 总则 1.1 目的 1.1 目的 为规范管式炉钢结构设计荷载的确定及荷载效应组合，特编制本标准。 1.2 范围 1.2 范围 1.2.1 本标准规定了管式炉钢结构设计荷载的分类及荷载效应组合等要求。 1.2.2 本标准适用于石油化工新建管式炉钢结构设计荷载的确定；改建和扩建管式炉 设计荷载的确定可参照执行。 1.3 引用标准 1.3 引用标准 使用本标准时，应使用下列标准最新版本。 SH 3048 石油化工钢制设备抗震设计规范 SEHT 0216- -2001 第 2 页 共 23 页 2 一般要求2 一般要求 2.1 作用分类 2.1 作用分类 2.1.1 结构上的作用应包括施加在结构上的集中力和均布力及引起结构外加变形和 约束变形的作用力和温度。 2.1.2 结构上的作用按时间变异性可分为以下几种。 2.1.2.1 永久作用 在设计基准期内量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可忽略的荷载，如钢 结构自重，衬砌结构重，配件重，炉管及管内介质或充水重，或工艺管线传给炉体钢 结构的荷载（由工艺提供，并应着重提供管线的水平荷载）等。 2.1.2.2 可变作用 在设计基准期内量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽视的荷载，如 a 风荷载，取垂直于钢结构表面的风荷载； b 平台操作荷载，取 3.5 kN/m2； c 雪荷载，仅考虑炉顶棚和操作棚上的雪荷载，雪荷载取 0.35 kN/m2； d 炉顶风机当量荷载 1 竖向荷载，取风机加电机重量的 1.5 倍； 2 水平荷载，取风机加电机重量的 0.3 倍； e 温度作用，在钢结构（包括烟道）上产生的温度效应。 2.1.2.3 偶然作用 在设计基准期内不一定出现，而一旦出现其量值很大且持续时间很短的作用，如 地震作用。 2.2 效应组合 2.2 效应组合 2.2.1 应根据在设计基准期内、在钢结构上可能同时出现的各类作用，在正常操作情 况下，采取各自的不利组合，并按基本组合和偶然组合计算组合效应 a 基本组合系指永久作用和可变作用的效应组合； b 偶然组合系指永久作用、可变作用和一个偶然作用的效应组合。 作用效应组合表达式见式（2.2.1-1） （2.2.1-1） fSx≤ 式中 Sx作用组合的设计值； SEHT 0216- -2001 第 3 页 共 23 页 f钢结构构件的容许应力值，当与水平地震作用组合时，应按 SH 3048 中的 规定采用。 2.2.2 基本效应组合和偶然效应组合的设计值应按式（2.2.2-1）和式（2.2.2-2）确 定 a 基本效应组合 ∑ jjKqqiiKWKGX GCqCGCWCGCSφ （2.2.2-1） b 偶然效应组合 SC GC EC GC GC G XGKFKWWWiijj φ （2.2.2-2） 式中 CG，CW，Ci，Cq，CJ分别为永久作用，风荷载，温度作用，活（雪）荷载 和风机当量荷载的效应系数，均取 1.0； GK永久作用（恒载）标准值； WK风荷载标准值； Gi温度作用标准值； φq平台活荷载或雪荷载的准永久值系数，取 1.0； qK平台活荷载或雪荷载的标准值； GJ炉顶风机当量荷载标准值； CF水平地震作用效应系数，取 1.0； EK水平地震作用标准值； φW风作用效应与水平地震作用效应的组合系数，取 25 。 2.3 风荷载 2.3 风荷载 风荷载标准值应按式（2.3-1）计算。 W （2.3-1） 0 W zsZK β 式中 WK风荷载标准值，kN/m2； βZZ 高度处的风振系数，按式（2.3-2）确定。 β ζνφ Z Z Z （2.3-2） ζ脉动增大系数，按表 2.3-1 查取； ν脉动影响系数，按表 2.3-2 查取； φZ振型系数，按表 2.3-3 查取； SEHT 0216- -2001 第 4 页 共 23 页 Z风压高度变化系数，按表 2.3-4 查取； S风荷载体型系数，圆筒炉筒体取为 1.0；桁架取为 0.5；平台、梯子、栏 杆取为 0.5；圆形烟囱和圆形烟、风道取为 0.7；两个烟囱并立，其净距 小于 2.0 m 时，取为 1.17；立式（箱式）炉、圆筒炉对流室和矩形烟、 风道取为 1.3； Wo基本风压值，kN/m2，取值不得小于 0.25 kN/m2。 表 2.3-1 脉动增大系数ζ WoT12 kNS/m2 0.01 0.02 0.040.060.080.100.20 0.40 0.60 ζ 1.47 1.57 1.691.771.831.882.04 2.24 2.36 WoT12 kNS/m2 0.8 1.00 2.004.006.008.0010.00 20.0030.00 ζ 2.46 2.53 2.803.093.283.123.54 3.91 4.14 注 表内 T1值按附录 A 有关公式计算。 表 2.3-2 脉动影响系数ν 总高度，m 10 20 40 60 80 100 150 A 0.78 0.83 0.87 0.89 0.89 0.89 0.86 B 0.72 0.79 0.85 0.88 0.89 0.90 0.89 C 0.66 0.74 0.82 0.86 0.88 0.89 0.90 注 计算“WoT12”时，对地面粗糙度 B 类地区可直接代入基本风压值，而对 A 类和 C 类地区应按当地的基本风压值分别乘以 1.38 和 0.71 后代入。 SEHT 0216- -2001 第 5 页 共 23 页 表 2.3-3 振型系数φZ BH/Bo 相对高度 Z/H 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.1 0.02 0.02 0.01 0.01 0.01 0.2 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.3 0.15 0.12 0.11 0.09 0..07 0.4 0.24 0.21 0.19 0.16 0.13 0.5 0.35 0.32 0.29 0.26 0.21 0.6 0.42 0.44 0.41 0.37 0.31 0.7 0.60 0.57 0.55 0.51 0.45 0.8 0.73 0.71 0.69 0.66 0.61 0.9 0.87 0.86 0.85 0.83 0.80 1.0 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 注 BH、Bo分别为构筑物迎风面在顶部和底部的宽度。 表 2.3-4 风压值高度变化系数Z 离地面或海面高度地面粗糙度类别 m A B C 5 1.17 0.8 0.54 10 1.38 1.00 0.71 15 1.52 1.14 0.84 20 1.63 1.25 0.94 30 1.80 1.42 1.11 40 1.92 1.56 1.24 50 2.03 1.67 1.36 60 2.12 1.77 1.46 70 2.20 1.86 1.55 80 2.27 1.95 1.64 90 2.34 2.02 1.72 100 2.40 2.09 1.79 150 2.64 2.38 2.11 SEHT 0216- -2001 第 6 页 共 23 页 注 ① A 类指近海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区。 ② B 类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中、小城镇和大城市郊区。 ③ C 类指有密集建筑群和大城市区。 2.4 地震作用 2.4 地震作用 2.4.1 水平地震 2.4.1.1 采用地面反应谱法时，水平地震作用应按式（2.4.1.1-1）计算。 V （2.4.1.1-1） gmK ejZ α 0 式中 V0水平地震作用，N； KZ综合影响系数，KZ0.45； αj基本自振周期的地震影响系数，按 SH 3048 中关于“水平地震影响系 数”的有关规定计算，见图 2.4.1.1-1； me总质量，kg； g重力加速度，m/s2，取 9.81。 图 2.4.1.1-1 水平地震影响系数曲线 注 ① α为水平地震影响系数。 ② αmax为水平地震影响系数最大值，按表 2.4.1.1-1 确定。 SEHT 0216- -2001 第 7 页 共 23 页 ③ Tg为特征周期，按表 2.4.1.1-2 确定。 ④ T 为炉结构的自振周期，s，按附录 A 有关公式计算。 表 2.4.1.1-1 水平地震影响系数最大值 设防烈度 6 7 8 9 αmax 0.11 0.23 0.45 0.9 表 2.4.1.1-2 特征周期值 Tg 单位s 场地类别 近震 远震 I 0.20 0.25 II 0.30 0.40 III 0.40 0.55 IV 0.65 0.85 注 远震城镇区见附录 B。 作用于质点 i 的水平地震作用按式（2.4.1.1-2）计算。 F m H m H V i ii ii i n ∑ 1 0 （2.4.1.1-2） 式中 Fi质点 i 水平地震作用，N； Hi质点 i 的计算高度，m； mi集中在质点 i 的全部质量，kg，见图 2.4.1.1-2。 图 2.4.1.1-2 水平地震作用计算（基底剪力法） SEHT 0216- -2001 第 8 页 共 23 页 2.4.1.2 采用振型分解反应谱法时，水平地震作用和作用效应按式（2.4.1.2-1）和 （2.4.1.2-2）计算。 （2.4.1.2-1） gmXKF ijijjZji γαξ ∑ ∑ n i iji n i iji j mX mX 1 2 1 γ （2.4.1.2-2） （i1，2，⋯n；j1，2，⋯n） 式中 Fjij 振型质点 i 的水平地震作用，N； αj相应于 j 振型的自振周期的地震影响系数，按图 2.4.1.1-1 采用； tjj 振型的振型参与系数； Xjij 振型质点 i 的水平相对位移。 2.4.2 水平地震作用效应（弯矩、剪力、轴向力）按式（2.4.2）组合。 ∑ n i HjH SS 1 2 （2.4.2） 式中 SH水平地震作用效应组合值； SHj由 j 振型水平地震作用产生的效应。通常取前 2 个～3 个振型；当基本自 振周期大于 1.0 s 时（例如座地烟囱）考虑的振型数不宜小于三个振型。 2.4.3 计算烟囱与炉体连接的连接螺栓的偶然效应组合时，水平地震作用应乘以 2.0 的效应增大系数。 2.4.4 供土建基础设计的荷载组合效应时，尚应按各类荷载效应组合后的值再乘以 1.1 的综合系数。 2.4.5 在炉体上可挪动的自身荷载，如检修时位于圆筒炉烟囱吊架上的吊管荷载（系 从辐射盘管吊出的被检修的辐射炉管，一般取两根炉管的质量，且不考虑充水质量） ， 应按起吊时最不利的情况，计算对流室的荷载效应组合（即计算烟囱底脚螺栓和对流 室钢结构的弯矩时，应组合吊管产生的附加弯矩） 。 SEHT 0216- -2001 第 9 页 共 23 页 附录 A附录 A 自振特性计算 A1 纯辐射型圆筒炉的第一自振周期 A1 纯辐射型圆筒炉的第一自振周期 纯辐射型圆筒炉的第一自振周期，见图 A1 和式（A1） 2 1 0444 . 0 0268 . 0 D Ha T （A1） 式中 T1第一自振周期，s； Ha炉底柱、筒体、锥段高度之和，m； D2辐射室筒体直径，m。 A2 辐射对流型圆筒炉的自振特性 A2 辐射对流型圆筒炉的自振特性 辐射对流型圆筒炉的自振特性，见图 A2-1 a 对于高度不大于 35 m（包括炉顶烟囱高度）的第一自振周期可按式（A2-1） 计算 10976 . 0 2505 . 0 3 2 4 2 2 1 3 1 D H D H T − （A2-1） 式中 H1炉底柱、辐射室、对流室高度之和，m； H4烟囱高度，m； D3烟囱外径，m。 SEHT 0216- -2001 第 10 页 共 23 页 图 A1 纯辐射型圆筒炉的第一自振周期 SEHT 0216- -2001 第 11 页 共 23 页 2 1 a SEHT 0216- -2001 第 12 页 共 23 页 质点高度 b 图 A2-1 辐射对流型圆筒炉的自振特性 b 对于高度大于 35 m 的炉型，可简化为多质点结构体系，其自振特性可按式 式（A2-2）采用矩阵迭代法计算 [ ][]{ }{ }YYM 2 1 ω δ （A2-2） 式中 柔度矩阵； [ ]δ 质量矩阵； []M 与自振频率对应的主振型； { }Y ω自振频率。 柔度矩阵元素按式（A2-3）计算，见图 A2-2 [ ]δ ∑∑       i n i n n nn ninjnninjn n n ijji GA hk hHHhHH EI h 11 2 3 1 2 1 δδ （A2-3） （j1，2，3⋯，i1，2，3⋯i≤j） 式中 δji，δij单位力作用质点 I（j） ，在质点 j（I）处引起的水平位移，m/N； j，i质点序号； hn质点 n 与质点 n－1 间的距离，m； Hjn，Hin分别为质点 n 与质点 j、质点 n 与质点 i 的高度差，m； In惯性矩，m4； SEHT 0216- -2001 第 13 页 共 23 页 An计算截面面积，m2； Kn剪切截面形状系数；In，An，Kn按表 A2-1 计算； E弹性模量，E20.6011010 Pa； G剪切模量， 59. 2 E GPa。 求出静位移后，代入频率方程式（A2-4）至（A2-10） ，可求解自振特性，式中 的质点质量 mi按表 A2-2 计算。频率方程式 或 []{}{} [][]{}{ 1 1 r jij r jiiji r jij r jij XXm XXA λδ λ } （A2-4） a 第一振型动力矩阵 [ ] nnnnnnn nn nn mmm mmm mmm A δδδ δδδ δδδ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ 21 2222211 1121111 1 （A2-5） b 第二振型 1 1 1 1 12 ][}{}{ ][][ M MYY AA T − λ （A2-6） M1{Y1}T[M]{Y1} （A2-7） [] 2 111133311222 211221132332112222 111111131331112122 nnnnnnnnn nnn nnn XmXmXm XmXmXm XmXmXm A δδδδδδ δδδδδδ δδδδδδ −⋅ ⋅ ⋅−− −⋅ ⋅ ⋅−− −⋅ ⋅ ⋅−− LL （A2-8） c 自振周期 Tj j2π λ （A2-9） 式中 mii 质点质量，kg，按表 A2-2 计算； Xji振型函数，相对水平位移； λj对应于[Aj]的特性值； λ ω j 1 1 2 （A2-10） wjj 振型的自振频率； Tjj 振型自振周期。 在一般情况下，取炉底处、辐射室顶、对流室顶和烟囱顶部四个部位处的质点集 SEHT 0216- -2001 第 14 页 共 23 页 中质量即可满足设计要求。 注 该部分的计算参见结构力学有关结构动力计算部分迭代法求自振频率和主振型。 表 A2-1 辐射对流型圆筒炉的几何特性 部位 截面积，m2 惯性矩，m4 剪切截面积形状 系数 炉底柱 01 AnAj 21 011 2 2 1D AnI 腹板面积 全截面积 1 K 辐射室 22012 δπDAnA 2 3 2 2 2 2 022 393. 0 2 2 1 δ D d D AnI K2＝3 对流室 δ − −− b abaAnA ]22 [ 12 1 2 3 33 2 013 δδ−−− ba ba b AnI K3＝3 烟囱 444 δπDA 4 3 44 393. 0δDI K4＝0 ]2 2[ 2 1 1 013 δ 表内 A01一根柱截面积，m2； n柱根数； D1炉底柱中心圆直径，m； A02辐射室一根筒体柱的截面积，m2； δ2辐射室筒壁厚度，m； D2辐射室筒体直径，m； d2辐射室一根筒体柱的截面高度，m； A03对流室一根柱的截面积，m2； a对流室壁板长边长度，m； b对流室壁板短边长度，m； δ3对流室壁板厚度，m； D4烟囱筒体直径，m； δ4烟囱筒体壁板厚度，m。 SEHT 0216- -2001 第 15 页 共 23 页 表 A2-2 质点质量 mi 质 点 号 简图 吊管 座管 4 m40.25Q4 m40.25Q4 3 m30.75Q40.5Q3 m30.75Q40.5Q3 2 m20.5 （Q2Q3）Q2m20.5（Q2Q3） 1 m10.5Q2Q1 m10.5Q2Q3Q2 表内 Q4烟囱质量，kg； Q3对流室（含炉管充水，预热器）质量，kg； Q2辐射室质量，kg； Q2辐射室炉管（含炉管充水）质量，kg； Q1炉底和炉底柱质量，kg。 A3 立式炉的自振特性 A3 立式炉的自振特性 立式炉的自振特性见图 A3-1 至图 A3-4。 a 对于高度（包括炉顶烟囱）小于等于 40 m 的立式（箱式）炉的第一自振周 期可按式（A3-1）计算 3 1 1 02924. 02749. 0 B H T （A3-1） 式中 HL炉框架计算高度，m； SEHT 0216- -2001 第 16 页 共 23 页 B炉框架柱中心跨度，m，当炉框架为多柱列时，B 值取最外边跨距。 b 对于高度大于 40 m 的立式炉，可简化为三个质点的结构体系，见图 A3-5， 其自振特性可采用矩阵迭代法计算，静位移系数（矩阵元素）可按式（A3-2）计算 ∑ ni i i in n i ijji FG hK IE h 1 3 12 δδ （A3-2） 式中 δji，δij单位水平力作用的静位移，m/N； hi质点之间的高度，m； E弹性模量； G剪切模量。 SEHT 0216- -2001 第 17 页 共 23 页 图 A3-1 卧管立式炉 SEHT 0216- -2001 第 18 页 共 23 页 1燃烧器；2炉衬；3辐射管；4炉架；5对流管；6烟囱 图 A3-2 双流室立管立式炉 SEHT 0216- -2001 第 19 页 共 23 页 正立面 侧立面 a b 图 A3-3 中间杠架有对流室两边框架无对流室 SEHT 0216- -2001 第 20 页 共 23 页 图 A3-4 双辐射室单对流室（如裂解炉等） SEHT 0216- -2001 第 21 页 共 23 页 图 A3-5 立式炉质点高度 在一般情况下，立式炉，取对流室顶（包括烟囱） ，辐射室顶和炉底处的质点集 中质量和水平静位移即能满足设计要求，频率方程式见式（A3-2） 。 A4 座地烟囱的自振特性 A4 座地烟囱的自振特性 a 不变截面直筒式烟囱的第一自振周期，见式（A4-1） ； IE Hm HT ee e 79. 1 1 （A4-1） 式中 me烟囱质量（当衬里与烟囱壁连接时，含衬里质量） ，m； He烟囱计算高度（自地脚螺栓底板下表面至顶面高度） ，m； I烟囱计算截面惯性矩，m4。 b 锥体式烟囱的第一自振周期，见图 A4 和式（A4-2） 。 SEHT 0216- -2001 第 22 页 共 23 页 图 A4 锥体式烟囱 1 2 1 IE A HTe ρ λ （A4-2） 式中 A烟囱底部水平截面积，m2； ρ烟囱密度（当衬里与烟囱壁板连接时，应包括衬里密度） ，kg/m3； I1烟囱底部水平截面惯性矩，m4； λ系数，按 Ho/H1e的比值由表 A4 确定。 表 A4 λ值 H o H 1e 0.4 0.6 0.8 1.0 λ 1.29 1.5 1.7 1.79 c 高度较大的变截面烟囱，其自振特性可采用矩阵迭代法计算，静位移系数采 用式（A2-3）计算，一般取前三个振型即能满足设计要求。 SEHT 0216- -2001 第 23 页 共 23 页 附录 B附录 B 远震城镇区 考虑远震影响的城镇大致列出如下 a 8 度远震独山子、沪定、石棉； b 7 度远震候马、连云港、徐州、淮阴、蚌埠、德州、枣庄、五原、南投、 乌鲁木齐、喀什、伊宁、渡口、拉萨、高雄； c 6 度远震赤峰、济宁、青岛、济南、泰安、潍坊、阳泉、安丘、商丘、盐 城、滁县、盐津、招远、承德、本溪、哈密、库尔勒、永昌、武威、托克逊、吐鲁番、 景洪、景谷、定西、雅安、株州、湘潭、益阳、莆田。