钢桁架结构在焦化工程设计中的应用

钢桁架结构在焦化工程设计中的应用

李冰

辽宁科技大学工程技术有限公司 辽宁 鞍山 114000

摘要：钢桁架结构是利用较小截面的杆件组合成为较大截面的构件，具有自重轻、承载力高、抗震性能优越等优点。本文以钢桁架结构管廊为研究对象，结合实际工程，即福建某集团化工有限责任公司制焦工程配套干熄焦项目，外线管道综合管廊设计为例，介绍焦化工程中常见的钢桁架结构形式、结构受力分析，焦化设计中管廊的基本规定，通过对单榀桁架导荷与PKPM软件建模计算，根据杆件的受力情况，合理选择杆件的截面，为钢桁架结构在焦化工程设计中提供一定的参考。

关键词：钢桁架；桁架结构管廊；焦化工程

引言

随着钢铁工业的快速发展，我国的焦化行业取得了辉煌成就，我国是世界上最大的焦炭生产、消费和出口国，多年来我国焦炭总产量一直占世界焦炭总产量的67%以上。我国拥有比较完整的焦化工业体系，在规模、产量和管理等方面均处于世界领先水平，为我国钢铁、化工等领域的经济发展做出了巨大贡献。随着焦化行业双碳目标的推进，焦化行业未来产业规划将侧重提高行业环保门槛，提高行业的环保技术、工艺设备水平，实现焦化行业高效、清洁、低碳、循环的绿色发展需要。同时对焦化工程中特种结构的计算理论及设计方法也提出了新的要求，钢桁架结构型式的建、构筑物是焦化厂建筑的重要组成部分，备煤车间通廊、筛焦车间通廊、吸煤气、回炉煤气管桥架、综合外线的管廊和各车间厂房的钢屋架等，贯穿着焦化厂从原料输送、加工到焦炭、化工产品生产的全过程。由于工艺流程、设备的平面布置和总图对厂区道路的规划，使能跨越道路、设备等障碍的钢桁架结构管廊在焦化厂内较为常见，正确的计算和分析钢桁架结构管廊，对钢桁架结构在焦化工程设计中的应用有着重要的作用和意义。

1钢桁架结构形式

焦化工程设计中根据钢桁架结构用途和受力特点的不同，常见的钢桁架的形式分为四种：（1）用于支撑备煤、运焦皮带机和吸、回炉煤气等跨度、荷载较大的钢桁架，如图1所示；（2）用于架空工艺管道、化产管道、公辅管道等相对荷载较小的钢桁架，如图2所示；（3）用于支撑车间厂房屋面檩条和轻型屋面材料的钢桁架，如图3所示；（4）用于架空电缆桥架、大跨度走台的桁架，如图4所示。

              图 1                                图 2

              图 3                                图 4

2桁架的受力分析

2.1桁架的基本假定

计算桁架结构内力时，通常采用如下基本假定：（1）桁架上所有节点均为铰接；（2）桁架上杆件轴线平直并且在同一平面内，相交于节点中心；（3）荷载作用线均在桁架平面内，且通过桁架的节点。完全符合上述三点假定，其杆件只受轴力作用的桁架，称为理想桁架。

2.2桁架的内力计算

（1）结点法：根据桁架各结点的平衡条件，利用平面汇交力系，从最多只有两个未知力的结点开始，逐个截取结点建立投影平衡方程，从而求出所有杆件的内力。结点法适用于计算简单的桁架杆件的内力。

（2）截面法：选取适当的截面，截断桁架上的杆件，一般杆件不超过三个，以截断的杆件为研究对象，利用平面任意力系的平衡条件，建立平衡方程求出被截断杆件的内力。截面法适用于计算联合桁架、简单桁架中少数指定杆件的内力。

（3）联合法：需要联合使用结点法和截面法才能求出杆件的内力。联合法常用于计算一些复杂桁架杆件的内力。

3桁架式管廊的设计

3.1基本规定

（1）由于焦化厂中的管道支架及管廊视为构筑物，所以其抗震设计通常参照《构筑物抗震设计规范》设计，但焦炉炼焦时，煤在高温干馏过程中，产生大量的荒煤气，荒煤气中含有焦油、粗苯、氨、硫化氢等杂质。由于环保、资源综合利用等法律法规的要求，需要对荒煤气进行净化，把荒煤气中的焦油、氨水、硫、苯等化工产品从煤气中脱离出来。在焦化工程的管架设计中，用于架空煤气净化过程中连接各化产工艺设备之间管道的管廊，还需满足《石油化工管架设计规范》中的要求。通常管廊的结构抗震等级为三级，抗震设防类别丙类。

（2）管廊在纵向每隔100m左右设置一道伸缩缝或长圆孔，以便于结构在温度作用下沿纵向伸缩。管廊设计时需要认真研究工艺资料，尽量与工艺协商，减少固定支架的数量及对固定支架的推力，推力较大的固定点尽可能设置在四柱支架上。管廊支架间距通常采用9m和12m，管廊跨度≤12m时，纵梁采用实腹钢梁或蜂窝梁结构；跨度＞12m时，纵梁采用钢桁架结构，桁架的计算高度通常为桁架跨度的1/10~1/15。

（3）管廊底部与人行道路面垂直距离一般为2.5m；底部与厂区道路路面的垂直距离一般不小于5.0m；底部与厂区铁路轨顶的垂直距离不小于5.5m；管廊可以布置成单层或者多层，当最下层下方布置泵、换热器等小型设备，底部净空需要考虑管道连接、设备的高度和设备操作空间的要求，且不小于3.0m。

3.2桁架式管廊的组成

桁架式管廊通常采用平面桁架形式，平面内由上弦杆、下弦杆、竖向腹杆和斜腹杆组成；平面外由横梁和水平支撑组成。桁架上弦受压，下弦承受拉，整个桁架形成一种格构式的梁式结构。

桁架平面外的横梁与上、下弦杆采用铰接连接，横梁不仅承受管道、电缆等竖向荷载，还承受与管道产生的水平摩擦力。桁架平面外的水平支撑主要承受横向地震作用和垂直于管道方向的横向风荷载。水平支撑的设置不仅能减小桁架上、下弦杆平面外的计算长度，也加大了桁架的空间刚度。水平支撑一般采用X型或K型布置，在地震作用和风荷载等荷载的作用下X型支撑体系布置更为合理。

3.3工程概括

福建某集团化工有限责任公司制焦工程配套干熄焦项目，该地区抗震设防烈度为6度，地震基本加速度值为0.05g，地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，基本风压是0.40kN/m2。干熄焦工段外线综合管廊全长83.4m，管廊宽2.5m，设置5.5m、7.0m二层，其中底层布置压缩空气、除盐水、低温蒸汽、氮气、汽轮机蒸汽凝结水等管道，顶层布置动力电缆和仪表用压缩空气管道。其中一段管廊需要跨越道路及设备，此段管廊跨度为18m。该段管廊采用钢桁架结构，上、下弦沿管道方向间距3.0m设置一道钢横梁。多根管道密集排列时，宜按均布荷载计算，根据外线专业提供荷载综合考虑（管道自重、介质重、保温材料重、操作重和严密性试验等荷载），管道及电缆荷载均折算成恒载，顶层管道按恒载标准值4.0kN/m2均布计算，底层按恒载标准值5.0kN/m2均布计算。

3.4荷载计算

（1）竖向荷载：单榀桁架上弦节点集中恒载P1=4x3x2.5/2=15.0kN；单榀桁架下弦节点集中恒载P2=5x3x2.5/2=18.75kN。

（2）水平荷载：是由外线工艺经计算后提给结构专业的。本工程外线管道较多且管径较小、介质大多为压缩空气、氮气、凝结水等且无高温管道，管道水平荷载忽略不计。

（3）风荷载：风荷载分为沿管道方向的纵向风荷载和垂直于管道的横向风荷载。由于桁架纵向较长并且刚度很大，纵向风荷载对桁架的影响较小；横向风荷载是由桁架平面外上、下弦水平支撑承受的。

（4）地震作用：本工程所在地抗震设防烈度为6度，可不计算管道横向水平地震作用。

3.5杆件截面的选择

本工程钢结构构件均采用Q235-B钢，桁架式管廊杆件一般采用双角钢形式，上弦杆采用2L110x8，下弦杆采用2L100x8，竖向腹杆采用2L56x6，斜腹杆分别为2L56x6、2L63x6、2L70x6，两端支腿采用槽钢[25a。该钢桁架结构抗震等级为三级，采用PKPM软件建模计算，分别输入恒载、风载，并考虑地震作用等，计算所得的应力比见图4、内力见图5。

                                 图4

                                 图5

通过PKPM计算结果，可以看出上、下弦杆最大应力达到0.76，腹杆最大应力达到0.85，杆件受力满足规范要求；拉杆、压杆的长细比也均满足规范容许长细比的要求。钢桁架、吊车梁等受弯构件设计时，杆件除了需要考虑强度、稳定、长细比满足规范要求外，还应注意整体构件的挠度是否满足规范要求。钢桁架结构挠度容许值为L/500，经核算该桁架最大挠度为34.7mm，满足规范要求。设计图中通常要求钢桁架结构在制作时起拱L/500，用来消除施工误差和后期环境因素的影响。

结束语

焦化领域技术发展趋势：绿色化、低碳化、智能化、安全生产。随着相关政策的不断出台，钢桁架结构将更为广泛的应用在冶金焦化等工业建筑中，钢桁架结构的研究，是焦化工程设计技术创新发展的重要途径，实现传统煤化工与现代煤化工产业有机结合、协调发展的新格局，打造以焦化产品-再生资源-循环利用为路径，促进我国焦化行业的绿色发展。

参考文献

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.钢结构设计标准:GB 50017-2017［S］.北京：中国建筑工业出版社，2017.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部.构筑物抗震设计规范:GB 50191-2012［S］.北京：中国计划出版社，2012.

[3] 中华人民共和国工业和信息化部.石油化工管架设计规范：SH/T 3055-2017［S］.北京：中国石化出版社，2017.

[4] 于振东，郑文华主编.现代焦化生产技术手册［M］.北京：冶金工业出版社，2010.