石油化工钢结构冷换框架结构设计
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摘 要：在社会经济发展过程中，石油化工行业得到了很广阔的发展前景。钢结构框架在石油化工企业中应用得相当广泛，它具有承载力高、延性好、自重低、施工简便等特点。目前国内石油化工企业所用的钢结构框架结构体系主要为框架体系和框架—中心支撑体系。
关键词：石油化工；钢结构；冷换框架结构设计
从西汉时期的铁索桥到20世纪初的京张铁路桥，钢铁材料在我国建筑中的发展使用是十分漫长的。20世纪中后期世界上逐渐兴起的大跨度结构建筑、高层建筑、超高层建筑使得钢结构的使用进入飞速发展时期，人们逐渐认识到钢材的性能适应现代建筑的发展要求，这种环保型材料开始应用于现代高层、超高层建筑中。
1 钢结构的优异性体现
首先，钢结构是优秀的绿色结构形式。钢结构采用的钢材可以循环使用，不会造成资源浪费，也不必要过度砍伐木材而对生态环境造成威胁；钢结构本身的轻质高强，抗震性能较佳，并且可以通过增加支撑和剪力墙以提高抗震性能；钢结构现场施工不会出现湿作业环节，因此不会出现影响环境的粉尘和污水垃圾等；钢结构施工过程简便快速，工期较短。总的来说，钢结构完全符合当下绿色建筑的概念，材料方面轻质高强、低碳环保、循环利用，施工进程方面简洁快速、减少污染、构件集成；结构性能方面强度可观、抗震性能好。
2 石油化工钢结构冷换框架结构设计
2.1 钢楼梯布置
石油化工装置内布置基于生产工艺和造价的考虑，习惯将钢楼梯布置在框架两端甚至局部突出部位，该部位钢楼梯通常采用截面较小钢柱作为框架柱。框架的整体计算中，端部及突出部位承担较大的地震力再加上钢梯柱较小的截面刚度，楼层最大位移比常常出现在框架周边楼梯钢柱处。鉴于楼梯部位高弹性和钢结构高延性的特点，当楼层最大位移比出现在此处时，最大位移比可采用規范允许的较大限值。当楼层最大位移比无法满足规范要求的限值时，建议将钢楼梯布置在钢框架内部或者采用较大截面楼梯钢柱。钢楼梯布置除满足抗震要求外也应考虑中震承载力、变形验算和大震变形验算。
2.2 刚性楼板假定
石油化工装置一般采用花纹钢板或钢格栅板作为楼面板。设计及施工中花纹钢板与钢梁焊缝非完全焊缝，钢格栅板与钢梁之间仅靠连接件固定，楼板对各柱的变形协调相对较弱，也无法满足规范要求的刚性楼板假定。由于设备吊装预留安装孔等各方面的制约，楼面常常有大范围的开洞，甚至局部为了达到某种要求连楼面板都没有，刚性楼板假定更难以满足。规范中所指的刚性楼板假定，按国外的相关规定，楼盖周边两端最大位移不超过平均位移2倍的情况均称为刚性楼板，超过则属于柔性楼板。因此当在不考虑楼板刚性假定时，楼层最大位移与平均位移之比大于2，就可按照抗震规范采用刚性楼板假定核算位移比、周期比等参数。花纹钢板或钢格栅板楼板较弱的变形协调造成不足，不考虑刚性板假定的结构计算很难满足位移比不大于2的要求。为达到刚性板假定要求，实际工程设计中应设置水平支撑作为构造措施，保证结构平面刚度及水平荷载有效传递。
2.3 性能化设计
石油化工装置布置复杂不规则且具有较高的危险性，以抗震设防作为单一的评价目标是不全面的。结构除满足基本抗震设防要求外，结构构件上应适当开展性能化设计，以保证设防地震甚至大震下的结构安全。随着规范更新，新版《钢结构设计标准》中增加了钢结构性能化设计，从一定程度上给出了复核计算的新方法。性能化设计的核心思想是在结构延性和承载力之间找到平衡点达到最优设计结果。性能化设计应遵循三个设计步骤：①验算设防烈度下多遇地震作用的结构承载力和结构侧移（小震不坏）；②依据抗震设防类别选择塑性耗能区的承载性能等级并进行设防地震下的承载力验算，承载力满足要求的前提下针对不同延性等级确定抗震措施（中震可修）；③验算罕遇地震作用下的弹塑性变形，保证延性水平的合理利用防止结构刚度过小（大震不倒）。按新版《钢结构设计标准》中第3.5.1条进行受弯和压弯构件计算时，发现截面板件宽厚比与应力梯度相关。应力梯度随荷载不断变化，导致钢结构梁柱的宽厚比随之发生调整。实际工程中的石油化工装置技改升级，布置荷载调整难以避免，可能出现构件宽厚比不满足要求。为避免升级改造中可能发生的问题，建议当计算宽厚比接近性能限值时，设计中应选择更高要求的宽厚比等级。钢框架—支撑结构体系中，柱间支撑以及主梁主柱是结构关键构件，设计时应多类型复核。结构构件除应满足《建筑抗震设计规范》的构造措施外尚应满足性能化设计下中震承载力和变形要求、大震弹塑性变形要求。抗规与新钢标两本规范不是传统认知的一本规范包络另一本规范，抗震等级与宽厚比等级也不对应，我们应依据各自规范控制条件去控制。
3 结语
石油化工钢框架的设计因工艺布置的特殊要求和结构自身特点，在诸多方面不满足抗震规范要求的基本假设，设计人员应充分理解并严格遵守相关设计规范规定，工程设计中合理调整布置，在适当情况下进行多性能验算，保证结构安全。
参考文献：
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