第４２卷第３期 当 代 化 工 Ｖ０］．４２．ＮＯ．３ ２０１３年３月 Ｃｏｎｔｅｍｐｏｒａｒｙ Ｃｈｅｍｉｃａ１ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｍａｒｃｈ。２０１３ 石油化工钢结构设计常见问题及对策 闫素美，伊 震，潘新莹，李 勇 （中国寰球工程公司辽宁分公司，辽宁抚顺１１３００６） 摘 要：石油化工类土建结构设计面临的任务往往比较繁杂，其中又以钢结构居多，而设计人员常常将 ＰＫＰＭ软件的结果不加推敲就直接用于设计，但该软件主要面向民用建筑市场，不能很好的考虑诸多专业规范 的特殊要求，本文作者在实践的基础上总结 一些容易被忽略的常见问题，供同行参考。 关键词：石油化工；钢结构设计；常见问题 中图分类号：ＴＵ ３１１ 文献标识码： Ａ 文章编号： １６７１—０４６０（２０１３）０３—０３５６—０４ Ｃｏｍｍｏｎ Ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｎｄ Ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ ｏｆ Ｓｔｅｅｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｉｎ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ ⅣＳｕ—ｍｅｉ，ＹＩＺｈｅｎ，ＰＡＮＸｉｎ－ｙｉｎｇ，ＬＩ场 （ＨＱＣＥＣ Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｆｕｓｈｕｎ １ １ ３００６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｉｖｉｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｉｓ ｕｓｕａｌｌｙ ｃｏｎｆｒｏｎｔｅｄ ｗｉｔｈ ｖａｒｉｏｕｓ ｋｉｎｄｓ ｏｆｐｒｏｂｌｅｍｓ， ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｒｓ ｇｅｔ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｐｐｌｙ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｗｏｒｋｅｄ ｏｕｔ ｂｙ ｔｈｅ ＰＫＰＭ ｐｒｏｇｒａｍ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｗｉｔｈｏｕｔ ｃａｒｅｆｕｌ ｔｈｉｎｋｉｎｇ．ＰＫＰＭ ｉｓ ｕｓｕａｌｌｙ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ａｓ ａ ｇｏｏｄ ａｓｓｉｓｔａｎｔ ｉｎ ｃｉｖｉｌ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｄｏｍａｉｎ，ｂｕｔ ｉｔ ｈａｓｎ’ｔ ｃｏｎｔａｉｎｅｄ ｓｐｅｃｉａｌ ｐｒｏｖｉｓｉｏｎｓ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ｉｎ ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｄｅｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓ，ｓｏｍｅ ｃｏｍｍｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｔｈａｔ ａｒｅ ｅａｓｉｌｙ ｉｇｎｏｒｅｄ ｂｙ ｄｅｓｉｇｎｅｒｓ ｗｅｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ， ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｓｏｍｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｎ ｕｆｔｕｒｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ；Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｔｅｅ１ ｓｔｕｒｃｔｕｒｅ；Ｃｏｍｍｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍｓ 在石油化＿Ｔ设计中，常规结构设计应力求完全 （４）设计者认为规范个别条文要求过严，总以 符合国家规范 。 、行业规范 的条文要求，目前，由 为以前也是这么做的，也没见出事，所以，以后这 于近年来国家大量投入石油化工装置建设，并且， 么做也没有问题。下文本人将列举一些常见的设计 设计任务往往存在工期紧、任务量大、反复修改的 问题，并提出实用的解决方法。 特点，加上绘图工作量大，设计人员真正用来进行 计算、校核电算结果的时间少之又少，更谈不上静 １常见问题及对策 下心来研读、琢磨规范，这导致一些不合规范的错 （１）设计桁架时计算角钢腹杆焊缝未进行内力 误时有发生，且流传广泛，给结构留下了许多安全 分配 隐患。定期对自己的图纸、计算书进行总结不失为 角钢与节点板之问的两条焊缝（肢背焊缝、肢尖 解决这种不良现象的一个好方法。 焊缝）受力并不是相等的，角钢的轴力应进行分配 笔者归纳了一下产生问题的原因，大致可以分 后再计算焊缝的连接强度计算，以等边角钢为例， 为以下几类： 肢背处的焊缝承担７０％ 的内力，肢尖处的焊缝仅 （１）忽视了规范的细节。这些细节可能分散在 承担３０％ 的内力，把力均分后计算出来的焊缝长 规范各章各条不醒目的地方，甚至分布在不同的规 度对于肢尖处的焊缝有富余，对于肢背处的焊缝又 范里，再加上不是强制性条文，因此极易被设计者 不足。 忽视。 （２）未注意到单面连接的单角钢设计时的特殊性 （２）已经有了新规范忙ｊ，但认识还没有更新， 桁架上弦水平支撑、轻型桁架腹杆、柱问支撑常 没能及时研读新规范，设计时仍沿用旧规范。 用单角钢作为受力构件，按照我国现行规范，单面连 （３）不了解程序内部的一些假定，总以为程序 接的单角钢与节点板之间的焊缝强度设计值应乘以 默认已经考虑好了。 ０．８５…的折减系数，计算轴心受压状态下的稳定性时， 作者简介：闫素美（喜器 ２闫０素１３－美０２（－１２ 一９０６２一），女．辽宁，女，辽宁抚顺人， Ｓ－程师，１ 年毕业于抚顺城建学校９８３年毕业于抚顺城建学校Ｚ 民建专业，目前从事结构设计作。－民建专业，目前从事结构设计Ｚ－作。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｙａｎｓｕｍｅｉ＠ｈｑｃｅｃ．ｃｏｍ。 第４２卷第３期 闰素美，等：石油化工钢结构设计常见问题及对策 ３５７ 角钢的强度设计值应乘以一个与长细比有关的折减 系数，但考虑了这个折减系数后，可以不再考虑弯扭 效应。 （３ ｃ寸寒冷地区钢结构抗脆断措施没有足够重视 ａ．节点内力 剪力：Ｖ＝３０ ｋＮ 弯矩：Ｍ＝－８０ ｋＮ・ｍ ｂ＿内力分配 北方地区的管带、构架设计工作温度可以达到零 下２０℃，结构设计时，应尽量增加措施减少结构的 应力集中，尤其是焊缝不宜过于集中。下面是几条常 对接焊缝惯性矩： ：２００ｘ １２３／１２ｘ １０～ ＋２００ｘ １２ｘ９４２ｘ １０ ＋２００￣ ．１２３／１２ｘ １０一＋２００ｘ １２ｘ９４２￣１０４＝４２４７０４ ｃｍ 见措施：桁架节点板上，腹杆与弦杆相邻焊缝焊趾间 净距不宜小于２．５川倍的节点板厚度，Ｔ形对接的节点 角焊缝惯性矩： ／２：６．３ｘ７３３／１２ｘ１０—４＋６．３ｘ７３３／１２ｘ１０ 板对接焊缝处，节点板两侧宜做成圆弧状并打磨，对 接焊缝的质量等级不低于二级…，构件拼接部位，拼 接构件自由段的长度不小于５倍 拼接件厚度。 （４）未进行刚接节点节点域抗剪强度验算 具体计算参见《钢结构设计规范》 （ＧＢ５００１７—２００３）７．４．２条。ＰＫＰＭ２００５版具有进行 此项计算的功能，但是，。对于两侧均有刚接梁的柱 节点域，程序计算是不准确的。此时，计算公式中 的弯矩是指两侧梁端弯矩的代数和（这意味着顺时 针弯矩会和逆时针弯矩相互抵消），但程序计算时直 接将两侧弯矩绝对值相加，这种做法显然过于保守。 使用ＰＫ设计时建议按这条规范补充手算，如果节 点域强度不满足要求，应对柱节点域腹板局部加厚 或者设置斜向加劲肋，也可以采用梁端加腋的方式 扩大节点域范围。对于需要进行抗震验算的钢结构， 尚应按《建筑抗震设计规范》（ＧＢ５００１ １－２０１０）８．２．５ 条、８．２．８条进行节点验算。 下面给出了—份较为完整的梁柱刚接节点计算书。 节点设计基本资料： 节点类型为：梁Ｈ柱强刚全焊接 梁截面：Ｈ一２００ Ｘ ２００ Ｘ ８×１２， 材料：Ｑ２３５ 柱截面：Ｈ一３００×３００ Ｘ １０×１５，材料：Ｑ２３５ 梁腹板角焊缝：焊脚高度为９ ｍｍ； 梁翼缘对接焊缝：焊缝长度为２００ ｍｍ；焊脚高 度为１２ｍｍ； 焊缝等级为：一、二级； 采用引弧板； 节点示意图如图１。 一 ————一 — 图１节点示意 Ｆｉｇ．１ Ｎｏｄｅ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ：４０．８４７ ｃｍ４ 翼缘对接焊缝承担的弯矩为： ＝Ｉｌ／（Ｉ１＋Ｉ２）Ｍ＝４２４７．０４／（４２４７．０４＋４Ｏ．８４７）￣８０＝７ ９．２３８ ｋＮ・ｍ 腹板角焊缝承担的弯矩为： ＝ ／ｆ ＋ ）Ｍ＝４０．８４７／（４２４７．０４＋４０．８４７）ｘ８０＝０．７６ ２１ ｋＮ・ｍ 腹板角焊缝承担的剪力为：Ｖ２＝３０ ｋＮ ｃ．翼缘对接焊缝验算 弯矩：Ｍ￣＝７９．２３８ ｋＮ・ｍ 焊缝长度为２００ ｍｍ；焊脚高度为１２ ｍｍ； 焊缝等级为：一、二级； 采用引弧板； Ｗ￣＝（２００ｘ １２３／１２ｘ １０一 ＋２００ｘ １２ｘ９４２ｘ １０一＋ ２００￣１２３／１２￣１０ ＋２００ｘ １２ｘ９４２ｘ １０—４１×１０／９４ ：４５１．８１３ｃｍ ａＭ￣－Ｉ ｌ／ ７９．２３８／４５１．８１３×ｌ ０００＝１７５．３７８ Ｎ／ｍｍ ｙ向弯矩为零，ａＭ￣＝Ｏ Ｎ／ｍｍ 最大拉应力： ６仁Ｇ脾。 ＋６ ０＋１７５．３７８＋０＝１７５．３７８ Ｎ／ｍｍ 最大压应力： ６（ ＝６肛ｏ 一 ０—１７５．３７８—０＝一１７５．３７８ Ｎ／ｍｍ ｄ．腹板角焊缝验算 剪力：ｖ，＝３ｏ ｋＮ 弯矩： ０．７６２１ ｋＮ・ｍ 焊脚高度为９ ｍｍ； 强度设计值：ｆ＝ｌ６０ Ｎ／ｍｍ 轴力为零，６肚０ Ｎ／ｍｍ ［６．３ｘ７３３／１２ｘ １０—４＋６．３ｘ７３３／１２ｘ １０ ］／４５．５’ ×１０＝８．９７７ ｃｍ。 Ｍ￣＝ＭＪ ＩＶ￣＝Ｏ．７６２１／８．９７７ｘ１０３＝８４．８９ Ｎ／ｍｍ 晌弯矩为零，ｅＭ￣＝ＯＮ／ｍｍ 胸剪力为零， ０ Ｎ／ｍｍ Ａｔ＝６．３ｘ７３／１００＋６．３ｘ７３／１００＝９．１９８ ｃｍ ｒｙ＝ＶＩＡ，＝３０１９．１９８ Ｘ １０＝３２．６１６ Ｎ／ｍｍ ｒ＝ｍａｘ＆Ｊ，Ｉｒ ０＝３２．６１６ Ｎ／ａｒｍ 焊缝组合应力： ６＝【（ｏ＾４ｏ ＋ａ ２／１．２２２＋ｒ２］。 ＝［（０＋８４．８９＋０）２／１．２２２＋（３２．６ｌ６） 。 ：７６．８４７ Ｎ／ｍｍ ｅ．节点域强度验算 Ｖ￣，＝２７０×１７６ Ｘ １０＝４７５ ２００（ｍｍ ） ３／／ ：８０ ０００ ０００／４７５ ２００＝１６８．３５ Ｎ／ｍｍ ４／３×ｆ，＝４／３ Ｘ １２５＝１６６ Ｎ／ｍｍ ｆ．节点抗震验算 ＜１＞抗弯最大承载力验算 ＝［２００ｘ １２×（２００一ｌ２）＋０．２５ｘ（２００－２ｘ １２）２ｘ８］ｘ ２３５ ｘ １０－％１２０．５９ １ ｋＮ．ｍ 梁截面抗弯最大承载力： Ｍｕ，＝［２００ｘ １２ｘ（２００－１ ２１ｘ３７５＋０．２５ｘ（２００－２ｘ １２－２ ｘ０）２ｘ８ｘ３７５］ｘ １０～＝１９２．４３２ ｋＮ－ｌＩｌ 翼缘对接焊缝和腹板角焊缝的抗弯最大承载力： Ｍａ＝［２００ｘ １２×ｆ２０Ｏ—ｌ２１×３７５＋０．２５ｘ（６．３ｘ７３／１００＋ ６．３×７３／１００１×７３×３７５×２／１．７３２］ｘ１０－ ＝１７６．４６９ ｋＮ・ｉｎ 最大抗弯承载力： ＝ｍｉｎ（ ，Ｍｕ。）＝１７６．４６９ ｋＮ・１ＴＩ １．２ Ｘ 。１＝１４４．７０９＜＝ ＝１７６．４６９ ＜２＞抗剪最大承载力验算 １．３￣（２ｘ１２０．５９１／６ Ｏ００ｘ１ ０００）＝５２．２５６ ｋＮ ｚ＝０．５８ｘ １７６ｘ８ｘ２３５／１ ０００＝１９１．９１ ｋＮ Ｖ￣＝ｍａｘ（５２．２５６，１９１．９１）＝１９１．９１ ｋＮ＝１９１．９１ ｋＮ 腹板角焊缝的抗剪最大承载力： ＝ｆ６．３ｘ７３／１００＋６．３×７３／１００１×３７５／１．７３２ ×１０－３＝１９９．１４３ ｋＮ ＝１９１．９１＜＝Ｖｕ＝１９９．１４３ （５）跨越管架设计时未考虑荷载放大系数 《化工、石油化工管架、管墩设计规定》 ＨＧ／Ｔ２０６７０—２０００第８．４．１条规定：跨越管架和紧邻 的第一个低管架的垂直荷载和水平力标准值均应分 别乘以１．５ 的放大系数。输入程序计算时，应该执 行本条规定。 （６）门式刚架设计时未复核有柱问支撑的柱脚 锚栓在风荷载作用下的上拔力 根据现行门式刚架规程，必须进行柱间支撑的柱 脚锚栓在风荷载作用下的上拔力计算，这是一条强 制性条文，应该予以重视。 （７）忽略了焊缝最小长度的构造要求 《钢结构设计规范》（ＧＢ５００１７—２００３）第８．２．７ 条规定，角焊缝的计算长度不得小于８倍 焊脚尺 寸和４０ ｍｍ…中的较大值。在一些柱脚节点设计中， 化 工 ２０１３年３月 为避免焊缝交汇于一处，柱脚加劲板往往会切去一 角，这使得加劲板与柱脚底板的公共部分更短了， 此时，如果选用大的角焊缝连接，很有可能无法满足 这条规范要求，遇到这种情况，可以考虑选用较小 的焊脚尺寸，或者选用对接焊缝。 （８）使用ＪＣＣＡＤ计算带有支撑体系框架结构 ＪＣＣＡＤ（２００５版）尚且不能读取柱问支撑的内力， 因此应该另行计算柱问支撑下面的基础。 （９）使用ＰＫ计算格构柱时截面选择了型钢组 合截面 ＰＫ里既有型钢组合截面又有格构式截面，型钢 组合截面不需要输入缀条、缀板体系，格构式截面 会要求用户输入缀条缀板的几何信息，程序对两者 的验算很不相同：型钢组合截面实际上还是作为一 个完整截面验算强度、稳定性，而格构式截面将分 别验算整体强度、整体稳定、左肢稳定、右肢稳定、 缀条稳定。可见，只有按格构式截面输入模型，才 能得到正确的验算结果。 （１０刑用构件计算工具箱计算混凝土基本构件 配筋时遗漏了构件自重 工具箱里有一项是输入构件的计算长度，但程序 并不根据这个计算构件本身的重量，构件自重产生 的内力应由用户计算出来，与荷载产生的内力叠加 后作为最终内力输人程序。 （１ １）在软件ＳＡＴＷＥ总信息中结构基本周期一 项输入不正确 在ＳＡＴＷＥ总信息——风荷载信息页面中有一项 是结构基本周期（Ｓ）需要用户填写，当第一次进入 该页面时，程序对结构没做计算，不可能知道结构 的基本周期，此处默认值使程序根据规范经验公式 给出来的，当完成一次结构计算后，最好查阅计算 结果文件ＷＺＱ．ＯＵＴ，找出结构计算出来的那个最长 的平动周期，代回再重新计算一次就可以了。这个 周期影响的只是风荷载计算，因此当结构对风荷载 敏感或者说风荷载可能起控制作用时，有必要告诉 程序准确的结构基本周期。 （１ ２）未对越层钢支撑作特殊处理 钢支撑在ＳＡＴＷＥ中是默认为两端铰接的，对于 越层钢支撑，用户常常忽略这一点，同样造成与同 一节点相连的构件（这里为上下层的两段支撑）均 为铰接的情况，为避免这种情况，用户应在ＳＡＴＷＥ 前处理的“特殊构件补充定义”中将越层支撑设为 两端固接。另外，若把一个节点处所有构件均设为 铰接，这样就出现了与同一节点相连的杆件均为铰 接的情况，这在程序中是不允许的。 第４２卷第３期 闻素美，等：石油化工钢结构设计常见问题及对策 ３５９ （１ ３）抗剪键计算时未考虑锚栓的有利影响 一稳定性 般情况下，当柱脚剪力大于０．４ 倍的柱底轴 见《钢结构设计规范》ＧＢ５００１７—２００３第７．５－３条。 （１７）双角钢、双槽钢截面拉压杆件（非格构式） 之问未按要求设置填板 力（压力）时，应在柱底板下设置抗剪键。ＰＫＰＭ 钢结构计算模块也是这么处理的，但对于刚接柱脚， 在大偏心弯矩弯矩作用下，柱脚的抗剪承载力宜计 入柱脚锚栓的有利作用，此时可取： Ｖ＝Ｏ．４（Ⅳ＋Ｚ） ，式中Ｚ为锚栓的总拉力。 （１４）低矮房屋风荷载未按门式刚架规程取值 门式刚架规程是专门为低矮房屋设计制定的，其 风荷载体形系数的相关取值更加合理，计算低矮房 设置要求见《钢结构设计规范》ＧＢ５００１７—２００３ 第５．１．５条。 （１８股计文件中对三面围焊角焊缝未提出要求 杆件端部搭接采用三面围焊时，为避免应力集中 的影响。所有围焊的转角处必须连续施焊。 屋风荷载时应按门规取值。此处低矮房屋的定义为： ａ、屋面平均高度不大于１８ ｍ；ｂ、檐口高度不大于 房屋的最小水平尺寸；ｃ、屋面坡度不大于１Ｏ。 。 按两本规范计算出来的风荷载差别在于：对于迎风 ２结束语 石油化工钢结构设计应该结合本行业特点，灵 活运用结构设计软件，严格按照设计规范进行设计， 力求达到经济合理、技术先进、安全可靠。 参考文献： ［１］中华人民共和国建设部．钢结构设计规范（ＧＢ５００１７—２００３）［ｓ１． ［２］中华人民共和国建设部．建筑抗震设计规范（ＧＢ５００１１－２０ＩＯ）［Ｓ］． ［３］中国石化工程建设公司－ｆ七工、石油化工管架、管墩设计规定（ＨＧＦＦ ２０６７０—２０００）ｉｓ］． 面的风压力荷载规范取值较大，屋面和背风面的风 吸力门刚规程取值较大。 （１５）交叉柱间支撑计算长度系数未严格按规范 取值 《化工、石油化工管架、管墩设计规定》ＨＧ／Ｔ ２０６７０—２０００虽然对柱间支撑作了规定，但考虑到该 规范制订后国家发行了新版钢结构设计规范，在这 种情况下显然应该执行后来的钢结构设计规范。具 体规定详见《钢结构设计规范》ＧＢ５００１７—２００３第 ５．３．２条。 ［４］钢结构设计手册（上册），编辑委员会［Ｍ］（第三版）２００４．１１５］中国 建筑标准设计研究院．民用建筑工程设计常见问题分析及图示（钢 结构和空间网格结构）（０５ＳＧ１０９—４）ｉｓ］． ［５］李星荣，魏才昂，丁峙，李和华．钢结构连接节点设计手册【Ｍ】．（第二 版）．北京：中国建筑工业出版社，２００５—０４． ［６］陈友权，魏潮文门式刚架轻型房屋钢结构设计与施工疑难问题释 义［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００９—０８． （１６）未考虑桁架节点板在斜腹杆压力作用下的 （上接第３５５页） ４ 结 沦 １）采用有限元通用软件ＡＮｓＹｓ对高压空气储 参考文献： Ｉ ｌ ｌ ，械与化工装备中的应 ・北 罐进行了有限元建模，通过应力强度分析获得最大 应力的位置，得到最大应力发生在球壳与过渡连接 部位球壳内壁，其最大应力强度值是３７４．１７ ＭＰａ。 ２）以应力分析为基础，确定交变应力幅值， ［２］郑津洋董其伍，桑芝富．过程设备设计［Ｍ】．北京：化学工业出 版社．２００９． ［３］ＪＢ４７３２－－１９９５钢制压力容 一分析设计标准［ｓ１． ［ ］刘涛，杨凤鹏，等・精通ＡＮ Ｙ ［ＭＪ・北京：清华大学出版社，２００２． 再根据交变应力幅矗由设计疲劳曲线确定允许循环 次数。进行疲劳强度校核，经计算求得累积使用系 数为０．２５３ ５０＜１，因此该高压空气储罐疲劳强度计 算通过 ６ ： 附塔的疲劳分析明。珊代制造技术与装 一 ［６］蔡慈平溅谈压力容器的疲劳分析【Ｊ】．化工装备技术（４）：１—８． ，２００８，２９
