化工建築中高爐設備荷載的不同輸入方式對結構的影響

摘要：工業建築設備的荷載形式多種多樣，結構設計人員在結構分析時很難對設備荷載進行準确地輸入，設備被折算成等效荷載作用結構上，因此不能正确反映設備與結構的組合體系及整體綜合動力特性，結果的多樣性讓設計人員困惑。

在現代化工業生産、工藝不斷更新的要求下，工業建築的結構體系日趨多樣化，建築布置與豎向體型越來越複雜，設計要求也越來越高。石油化工類建築結構是工業建築中比較特殊的一類結構體系，在這類結構體系中，工業設備和建築設備結構之間往往會比較複雜地組合在一起，從模型特征方面講，設備模型與建築結構部分的模型會有很大的區别，兩個部分的荷載屬性基本不一緻，除此之外，設備和結構相連接的部位也是整個結構的關鍵部位。從國内外的環境來看，土建結構設計人員對設備的工藝了解不多，化工設計人員對結構設計方面又不是很了解，因生産需要導緻設備的布置往往不是很合理，設計人員隻有通過設備的土建條件信息獲取荷載，不同設計院對荷載的取值不一樣。工業設備應參與結構的整體計算分析，設備荷載如何能正确作用于結構上，是急需解決的問題。

案例：

0. 工程條件

山西太原某中科院煤化所灰熔聚氣化車間，建造于城市郊區，運用于化工試驗，丙類建築，建築結構形式為鋼框架-中心支撐結構，建築層數共七層，建築高度為30m，建築面積為1090㎡，采用單跨結構，平面布置采用矩形，長18m，寬8m，柱距4.5m，。該車間無外牆圍護結構，含有上升管、下降管、進料鬥、下料鬥、分氣缸、氣化爐等大量工業建築設備，大型氣化爐屬于高爐設備，底座不落地，爐身貫穿中部樓層，采用環箍鋼梁将其固定，用于保證高爐的整體穩定。本工程屬于高層建築，由《建築抗震設計規範》GB50011-2010第8.1.5款：采用框架結構時，甲、乙類建築和高層的丙類建築不應采用單跨框架，多層的丙類建築不宜采用單跨框架。由此判斷該單跨高層鋼框架-中心支撐結構屬于超限結構。

0. 設備荷載

本例中的高爐設備分兩個爐身，爐身一從二層延伸到七層，高達21m,爐身直徑為2.0m，爐殼壁厚為20mm,爐身二從五層延伸到七層，高度達9.5m,爐身直徑為2.5m,爐殼壁厚為20mm,兩爐身之間由直徑為0.8m，長度為1.0m的管道相連接。爐身一自重為260KN，灌滿溶液後總重為890KN；爐身二自重為130KN，灌滿溶液後總重為315KN。二自重為130KN，灌滿溶液後總重為315KN。

2.1支座等效荷載

工業設備荷載在等效輸入時，若荷載等效作用直接加載在支座的支腳上，在輸入時應注意：有四個支腳的設備，不可将總設備荷載分成四等分，每一等分作為每個支腳的荷載。由于施工的偏差，可能支腳的支撐面不在同一個标高，設備支腳可能不是四個支撐面，而是三個支撐面或兩個支撐面，所以計算每個支腳的設備荷載時，應将總的設備荷載三等分或二等分，而不是四等分。

圖3高爐設備支座 圖4高爐設備 圖5虛拟柱與樓層交接

2.2虛拟柱等效荷載

在工業建築中，高爐設備剛度很大，自重重、設備高是其獨特的特點。這些高爐設備（圖4）作用在結構上，豎向荷載直接傳遞給下面支撐梁構件，在地震作用下，由于高爐自身很剛，可以作為一個剛性體對待，高爐自身地震力的合力應該在高爐質心位置，在各層樓面位置都有鋼梁環箍作用保證高爐的整體穩定，因此這些水平地震力會通過各層的環箍梁傳遞到上面各層[4]。如果把高爐荷載直接輸入到其支座所作用的樓層上，其水平地震力隻會統計在其支座所在層，對上面其他各層的傳遞作用就沒有辦法體現，而且高爐上水平作用力的作用點下移，地震對結構整體的傾覆彎矩也會計算偏小。

針對這種情形，可以采用一個虛拟柱來模拟高爐質量沿高度的分布情況（圖5），在高爐位置通高建立一個虛拟的柱子，根據就近集中的原則，高爐的自重以恒荷載方式分散到每個約束層面虛拟柱所在的節點，高爐内所裝物品重量作為活荷載加到各層面虛拟柱所在節點。除了支座層以外，其他各層采用兩端鉸接梁連接虛拟柱與所在層構件，使水平力可以傳遞到對應層面，但是作用虛拟柱節點的豎向荷載都通過虛拟柱傳遞到高爐支座層面，虛拟柱底建立十字梁或米字梁把虛拟柱傳遞來的高爐豎向荷載傳遞到支撐高爐設備的梁構件。這種方法可以模拟高爐産生的地震力沿其高度的實際分布狀态，但不考慮高爐的剛度貢獻。

2.3設備模拟荷載

建築結構一般情況下是由梁闆柱等常規構件組成，而工業設備往往是由管狀、筒狀等組成，一般的工業設備需要使用殼單元來模拟，SAP2000可以使用真實的殼單元來模拟工業設備，還可以将兩個不同的模型（建築結構和工業設備模型）組裝在一起，一般情況下是将設備模型導入到建築結構模型中。如圖所示：

圖6高爐設備與框架正立面 圖7高爐設備模型圖 圖8高爐設備與框架側立面

SAP2000在建模過程中需注意，設備與框架組裝時，設備坐标定位需與原框架坐标一緻，設備與環箍梁的接觸處，應使用點的束縛，将設備穩固起來，此時還需考慮設備與梁在荷載作用下是否會發生碰撞問題，可在縫隙較小處采用彈性連接的連接單元。因設備較高，在其中部存在固定支座，通過地腳螺栓與周邊梁連接起來，建模時需采用恒力杆與結構相連。在設備的建模過程中，兩個爐身通過一剛性管道連接起來，處理管道與爐身的連接，同樣需要将其連接點通過點的束縛命令，将其與爐身固接起來。對設備需考慮設備内部的表面壓力作用，建築無圍護結構，設備擋風面積不大，不考慮風荷載作用。振型結果見表3

0. 分析結果對比

通過對上述三種荷載輸入方式作用下的結構進行分析，結構在地震作用下的底部剪力與最大周期有明顯的變化。詳見下表

高爐設備荷載輸入方式比較

從表中可以看到采用設備模拟的加載方式，結構的底層總水平地震力最大，設備質量延樓層高度均勻分布，對各樓層地震作用力産生的影響而引起剪力增大，接近真實情形。設備在地震作用下的地震頻率與框架結構的頻率不一緻，導緻結構整體的自振周期變大。在實際工程中應注意加強設備與各樓層的連接，将設備布置在結構的中間部位，使其布置合理，減小結構的扭轉。

采用支座加載方式，周期最小。将荷載等效加載在支座層上，其中恒荷載将轉化成等效質量作用于支座所在樓層上，導緻結構各層的質量分布不均勻，樓層剪力發生突變，容易産生薄弱層，與實際情形不符。在實際工程中，應增強底部柱子抗剪能力，同時加強設備貫穿樓層的梁。

采用虛拟柱加載方式，底層水平地震力最小，在設備與樓層交接處，設備荷載通過虛拟梁和虛拟柱傳遞給框架梁柱，比較符合真實情況，但虛拟柱隻傳遞力，并不具有剛度，其他樓層的剪力都比支座加載方式對應的剪力大，支座所在層的柱剪力偏小。實際工程中，隻需加強底層與支座所在層的柱即可。

由表1～3中振型剛度可知，考慮設備時的振型剛度最小，即樓層的抗側剛度最小，設備消弱了框架的抗側剛度。設備在水平地震作用下會發生擺動，引起的P-Δ效應加大了結構的側移[。對比三種分析結果可知，采用設備模拟加載到各層上的荷載加載方式獲得的結果最不利，且最接近實際。

0. 結語

工業建築中的設備很複雜，設備對結構的抗水平地震力、周期及剛度都有很大的影響，建議在結構分析時，将設備模型與結構模型組裝整體分析，這就需要結構工程師了解工業建築的特性及化工設備的土建條件，獲取詳細的荷載信息，将荷載準确加載在結構上。

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