石化装置钢结构界区管廊优化设计分析
李 文 南京扬子石油化工设计工程有限责任公司
【摘 要】遵循结构优化设计目标，对石化装置钢结构街区管廊优化设计方案进行分析探讨，首先考虑管廊荷载以及荷载组合对结构设计方案进行优化，然后对结构体系优化方案进行探讨，最后通过工程实例分析的方式总结管廊结构优化设计的关键要点以及优化效果，仅供参考。【关键词】石化装置；钢结构；管廊；优化设计
一、荷载及其组合优化
首先，在风荷载方面，多数石化工厂建设选址在场地粗糙度类别为Ａ类区域。但由于管廊处于石化装置的中心部位，周边还分布有大量构筑物，因此可以在荷载计算中对场地粗糙度类别作出适当调整，以此种方式达到控制风压高度系数，优化结构设计方案的目的。管廊沿线挡风面积受到构件、管道、楼梯栏杆、以及电缆槽板等附属构件挡风面积的影响，在计算标准以及体型系数的选择上必须进行适当优化，有关研究中建议按照多跟管线直径平均值与管架间距乘积计算挡风面积，实际操作中可以简化为计算范围内沿线３根大直径管线直径平均值作为计算标准，体型系数自１．３调整为１．４，以保证结构设计方案的安全性。
在荷载组合方面，石化装置街区管廊荷载类型以及工况多，组合关系复杂，可以按照管道正常操作，充水试压，地震作用以及停产检修等相关工况进行划分。但需要注意的一点是，在结构优化设计中，考虑瞬时作用影响，不将街区管廊地震作用与平台活荷载作用力或管线水平作用力同步组合。
二、结构体系优化
石油化工装置钢结构街区管廊结构体系的受力特点可以概括为：沿纵向梁柱铰接，纵向水平作用力经垂直支撑结构传递至地基基础。沿横向梁柱刚接，柱脚铰接状态下水平、竖向两个方向荷载所致弯矩作用力传递至框架结构，水平力进一步传递至地基基础，柱脚刚接状态下水平、竖向两个方面荷载所致弯矩作用力经柱脚传递至地基基础结构。在这一受力状态下，横梁同时承受水平、竖向两个方面荷载作用力，计算时按照双向受弯构件标准处理。垂直支撑结构作为水平荷载作用力的传递构建，计算时按照拉杆标准处理。根据既往地震灾害资料数据可见，受到弹性补偿以及管架管道连接方式的影响，在震害条件下结构管架基本可保存完好，因此在结构设计过程中必须充分考虑钢结构变形作用力以及自身延性对地震水平作用力的消耗情况，以确保管架结构的完好性。在结构控制方面，在遵循抗震设计规范以及钢结构设计标准要求的基础之上，考虑到管廊使用环境以及自身柔性的影响，可以适当放松结构控制标准。
三、实例分析
某石化装置钢结构街区管廊项目所处场地地震设防烈度为７度，场地类别为二类，特征周期取０．５ｓ，地震分组为第三组，基本风压取０．８ＫＮ／ｍ²，管廊平面布置计算模型见下图（图１）。该项目街区管廊横向设计宽度８．０ｍ＋８．０ｍ，设计纵向柱距８．０ｍ，楼面标高为７．０ｍ￣２０．０ｍ，项目现场管廊沿线长度设计为３７１．０ｍ，共划分四个不同温度区段，不同温度区段间设置双柱结构。本研究中取中间温度区段进行空间模型分析，该区段范围内设置垂直支撑结构两处，总长度９０．０ｍ。
图１：管廊平面布置计算模型示意图
由于结构设计人员进入设计阶段前已经确定管廊平面布置方案，故对管廊结构的优化设计近从荷载及其作用力组合以及结构分析这两个角度入手。分析模型应用软件为ＳｔａａｄＰｒｏ Ｖ８ｉ。原有模型在对风力荷载作用力进行计算时，结构构件选择计算标准为多温桁架风力荷载，计算范围内管线挡风面积计算考虑各跨管径最大值，体型系数按单根管线标准取值０．６进行计算。在按照前述方法对风力荷载作用力计算模型进行优化后，调整计算范围内管线挡风面积为迎风面构件表面积（按照各层最大３
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根管线管径平均值标准进行计算），体型系数调整为１．４。同时，考虑到本工程项目中街区管廊布置于石化装置中间位置，各单元布置相对集中，故场地粗糙度按照Ｂ类标准进行计算。对比原有计算模型，在结构优化设计方案下模型地震作用不与平台活荷载作用力或管线水平作用力同步组合，其他分项系数保持不变，如下表（表１）所示对Ｚ轴横梁应力以及Ｓ轴位移情况在两种结构构件模型下计算结果的差异进行了对比，结合表１数据可见，在本工程项目不同标高状态下，结构构件优化设计后模型的应力优化效率以及位移优化效率明显，对同类工程项目的结构优化设计有一定参考价值。
四 、结束语
作为石油化工装置布设现场最核心的构筑物之一，受到管线长度长影响，管廊工程量非常巨大，如何提高其设计方案的合理性与经济性是业内人士高度关注的一项课题。本文对石油化工装置钢结构街区管廊优化设计的方案进行了探讨与实例分析，综合得出以下方法与结论：第一，对街区管廊风力荷载作用力的计算可以考虑调整场地粗糙度类别，并对管线挡风面积计算标准进行优化；第二，街区管廊地震作用不与平台活荷载作用力或管线水平作用力同步组合。
参考文献：
[1]耿业朋.浅谈化工管廊的优化设计[J].化学工程与装备,2016,(5):166-167.
[2]刘兴然,唐飞,沈业林.某聚丙烯装置管廊及管廊管道的优化设计[J].广东化工,2015,42(5):120-121.
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