1、2013年10月第5期孫亞民等:高壓酸浸鋼結構廠房結構設計優化 # 高壓酸浸鋼結構廠房結構設計優化孫亞民，張明（中國恩菲工稈技術有限公司，北京100038）摘要某海外紅土操礦冶煉廠高壓酸浸鋼結構廠房的樓層結構復雜，且有朿型設備支承于摟層上， 工程所生地抗丈設防熱度校高.這給工程設計帶來比較大的難斤，水文通過不同方案的對比分析琲行 結構設計優化，綜合考慮工藝要求與結構受力性能，確定了結構方案、支撐系統及節點形式。采用空間 結構計算程序SATWE與ETABS軟件對結構進行對比計算分析，考察結構在正常使用及地震作用情況下 的性能，校核了方案的合理程度，通過采用多童次梁與鋼結構井字梁的布工方法,使得框

2、架柱的截面尺 寸得以按照軸力而非彎矩進行控制，截面尺寸優化為最合理的尺寸。關鍵詞|地震高發區；鈞結構廠房；結構設計優化中圖分類號TU318;TF815文獻標識碼B 文章編號1672-6103（2013）05-0050-072013年10月第5期孫亞民等:高壓酸浸鋼結構廠房結構設計優化 # 2013年10月第5期孫亞民等:高壓酸浸鋼結構廠房結構設計優化 53 鎳冶煉廠高壓酸浸子項濕法冶金車間，長63.0 m、寬43.0 m、高31.3 m,位于南太平洋某島國，如圖 1所示。工程設計基準期為50年，抗震設防烈度為8 度（0.3 g）,設計地震分組為第一組,場地土類別為n 類，基本風壓值為0.45k

3、N/m地面粗糙度類別為A 類。根據工藝配冒，本子項主要分為高圧釜廠房、預 熱閃蒸區及配電樓三個部分，三部分結構體系各自 獨立，在結構上設縫脫開，如圖2所示。高壓釜廠房 采用兩層鋼排架體系，高壓釜支承于地面基礎之上， 配電樓采用五層鋼框架體系（首層架空）；預熱閃蒸 區為整個項目最復雜的部分，高度較高，錯層較多， 且有6個161 t462t的反應槽分別支承于 6.00m -V 23.20 m樓層的平臺上。工程所在地為地震高發 區，抗震設防烈度較高（8度,0.3 g）,這給工程設計 帶來較大的難度。下面主要討論預熱閃蒸區廠房的 結構分析與設計優化。1確定結構體系方案1.1確定結構體系本項目所在地經濟

4、很落后，基本沒有工業基礎 和基礎設施，同時業主對工程進度的要求較高。如作者簡介孫亞民（I982-）,男，河北省輝坊人,丁程師.主要從事 結構設計。【收稿日期2013-06-30進行混凝土施工，尤其是復雜廠房的施工，不僅造價 比鋼結構要高，而且工程進度、質量也很難保證，所 以廠房的地上部分結構采用鋼結構，鋼構件在國內 加工,運抵工程現場后進行拼裝。考慮到當地的地 震烈度較高采用延性更好的鋼結構也使結構具有 更好的抗靂性能,而且鋼結構自重較輕,地震反應也 較小。值得注意的是，因為本廠房屬于濕法冶金車 間,因此需對鋼結構構件進行有效的防腐蝕處理。考慮到結構樓層上設有很重的設備，荷載較大, 廠房屬于高

5、層鋼結構，宜采用雙重抗側力結構體系， 在高層結構中主要采用的雙重抗側力體系有框架- 剪力墻（混凝土剪力墻或鋼板剪力墻）和框架-支撐 體系。因為工藝在整個廠房內布置了許多縱橫交錯 的管道，以及供人員操作的通道，因此采用框架-剪 力墻結構體系很難滿足要求，而采用框架-支撐體 系可以通過支掠形式的靈活布置滿足工藝管道及操 作通道的要求，所以最終決定采用鋼框架中心支 掠體系。鋼柱之間通過主梁連接，主梁之間通過次 梁連接，形成垂直傳力體系。水平剪力的傳遞通過 鋼框架與柱間支撐的共同作用來承擔。結構的平面布置如圖2所示，主要鋼構件均采 用Q345-D級鋼材除部分框架柱采用焊接H型鋼 外，其余均采用熱軋H型

6、鋼。1.2支撐體系布置方案因結構樓層上荷載較重，重心較髙，且錯落布（G全景（b）預熱閃蒸區圖1高缶酸浸廠房 I - 圖2結構平面布置圖X1-ftFKMAm 1 V6 0Of ft :S2i1T-1t*JO OM v ff _ !4II*4XX- 丄X:-.工齊41.一 i:1* 十亍I上x o e e eo ee ee置，同時地震烈度較高，導致結構的水平荷載很大, 故需采用強支撐體系。通過對結構受力情況的分 析，以及綜合考慮工藝設備及管道布置的要求，決定 采用高層結構中應用較多的H型鋼中心支撐體系， X向共布置了 8棉支撐，Y向共布置了 7棉支撐，并 且盡量使每棉支撐從上至下貫通。支承的布置在

7、滿 足結構設計要求的基礎上，須同時滿足工藝的布置 要求。工藝在多數平臺上布置了縱橫各向的管道及 操作通道，同時因層高及錯層的限制，分別采用了 X 型支撐、人字型支撐、V字型支撐形式。同時為了增 加支撐本身的剛度，支撐兩端采用剛性連接節點。因支撐兩端均采用剛性連接，計算長度應可適 當減小，按鋼結構設計規范（以下簡稱鋼規）的 桁架腹桿計算長度取值。對X型支撐，平面內計算 長度為端點到交叉點的距離，平面外如按一拉一壓 設計，且拉圧受力相等的話,壓桿取0.51o（lo為支撐兩 端點的距離，下同）,拉桿取1。;對人字形支撐及V字 形支撐，平面內取0.8b,平面外取lo。支撐桿件長細 比的控制，根據建筑抗

8、震設計規范（以下簡稱抗 規）中心支撐按壓桿設計長細比限值為100,按拉 桿設計長細比限制為124（Q345鋼，8度兒 因木結 構采用熱軋寬翼緣H型鋼作為柱間支撐，同時寬翼 緣H型鋼的強軸與弱軸的回轉半徑一般相差1.7倍 左右。如上所述無論X型支撐還是人字形與V字形支撐，平面外的計算長度，均較平面內的計算長度 要大。因此，將支撐采取翼緣朝向平面框架外的布 置形式，可以最大限度地發揮支撐桿件的剛度與承 載力，減小桿件截面。2結構空間計算分析2.1計算模型根據抗規及扁鋼規的相關條文，本結構屬 于平面不規則，并且豎向亦不規則的結構，應采用空 間結構軟件進行空間建模計算.本文采用SATWE 與ETABS

9、兩種常用的空間結構設計軟件分別進行 了計算.SATWE采用空間桿元模型模擬梁、柱及支 撐等桿件，用在殼元基礎上凝聚而成的墻元模擬剪 力墻，對樓板可以分別按平面內無限剛、分塊無限 剛、分塊無限剛帶彈性連接板帶以及彈性樓板四種 情況進行考慮。ETABS中則集成了更為豐富的單 元庫,包括三維框架單元、三維殼體單元、彈簧單元、 連接單元以及靜力和動力非線性分析中的框架塑性 鎮單元。兩種軟件中的計算模型如圖3所示，在每個模 型的計算中分別按樓板平面無限剛假定和彈性樓板 假定進行計算，前者用于結構位移與層間側移的計 算與控制，后者用于結構構件內力的計算與控制。2013年10月第5期孫亞民等:高壓酸浸鋼結構

10、廠房結構設計優化 # 2013年10月第5期孫亞民等:高壓酸浸鋼結構廠房結構設計優化 # (a)SATWE(DETABS2013年10月第5期孫亞民等:高壓酸浸鋼結構廠房結構設計優化 # 圖3 2.2計算結果對比計算結果表明，結構主要構件強度及主要結構 參數在兩種軟件計算下的結果均能夠滿足要求。下 面就SATWE與ETABS分別計算的結構主要參數進 行對比分析，確定結構在正常情況和地震作用下的 反應，同時校核整個結構方案的合理程度。2.2.1軸壓比柱的軸壓比是指柱軸向力設計值與柱全截面抗 壓承載力設計值的比值，可以反應整個結構的受力 狀態，也能反映框架柱的延性儲備，在高地震烈度 區，柱的軸壓比

11、不宜太大。表1中對框架柱的軸壓比計算結果進行了對 比，結果表明兩種軟件的計算結果以及各框架柱間 的變化趨勢基本一致，最大軸壓比的數值均岀現在 Z10,分別為0.51和0.45o這表明雖然本工程的框架 柱采用了 H型鋼截面，截面尺寸也不是很大,但是軸結構模型壓比依然控制在了比較理想的范圍內，保證框架柱 留有足夠的延性儲備。表1框架柱軸壓比柱編號Z1Z2Z3Z4Z5Z6Z7SATWE080.2305060.320.480.32ETABS000.220.20050.320.440.37柱編號Z8Z9Z10ZllZ)2Z13ZI4SATWE080.390.510.330.330.320.35ETABS

12、020.390.450.310.230.24082.2.2結構豎向規則性控制根據抗規的規定，對豎向不規則的結構除其 薄弱層的地震剪力應乘以1.15的增大系數外（計算 程序自動考慮增大），薄弱層的受剪承載力不應小于 相鄰上一樓層的65%c表2列岀了結構每層的X向 和Y向的樓層受剪承載力。可以看出，因堅持支撐 布置時盡量使每棉支撐都能夠上下貫通布置，使每 個樓層的受剪承載力沒有太大的突變，結構整體性 能良好，能夠滿足65%的規范要求。表2樓層受剪承載力樓層X向承載力Y向承戟力比值(X)比值(Y)8O.8529E+O40.1217E4-051.001.0070.8674E+040J423E-051.

13、021760.1962E+050.2159E+052.261.5250.249 lEi050.4181E+051.271.944O.2934EfO50.4120E+05180.993O.3493EfO5O4359E*O51.191.0620.3662E+050.4174EW51.050.9610.2534E250.2995E+050.690.722.2.3結構平面規則性控制造成結構扭轉(平面不規則)效應的主要原因系 指結構質量中心與剛度中心的不重合，有的時候受 限于工藝或建筑布置的情況，不重合的情況是不可 避免的，這就需要合理安排結構形式與支撐的布置, 使結構因質量中心與剛度中心和強度中心不重

14、合而 產生的扭轉效應控制在可以接受的范圍之內，在現 行規范中主要是通過控制結構的位移比來實現的。 位移比系指樓層豎向構件最大的彈性水平位移/層 間位移與樓層彈性水平位移平均值/層間位移平均 值的比值,對于平面不規則結構，其位移比不應大于 1.5o如表3所示，表中位移比一列，前面數字表示最 大的彈性水平位移與彈性水平位移平均值的比值, 后面數字表示最大層間位移與層間位移平均值的比 值。從表3中可以看出，結構各層在X向和Y向的 位移比均不大于1.5,表明結構的扭轉效應得到了有 效控制能夠保證較好的平面規則性。2.2.4樓層位移的控制設計規范對各類混凝土及鋼結構均要求進行多 遇地震作用下的彈性變形驗

15、算，彈性變形驗算屬于 正常使用極限狀態的驗算，彈性變形以層間位移角 的形式表示抗規對鋼框架結構的層間位移角限 值為1/300(現行新抗規已改為1/250),高鋼規 對層間位移角的限值為l/250o表3中列出了兩種 軟件計算出的地震作用下的X向及Y向水平位移 角。如表3所示，雖然結構層間位移角在SATWE和 ETABS的計算結果因兩種軟件中結構標準層的劃 分及計算假定并不完全相同，計算結果略有差別，但 是發展趨勢是相同的，并且均能滿足規范要求，這說 明通過采用強支撐-框架結構體系，樓層位移角的 控制是成功的。當然,結構在風荷載作用下的彈性 位移角也是需要控制的參數，但是本工程沒有維護 結構,擋風

16、面積較小，并且該地區基本風壓也較小, 同時本結構屬于重型廠房，故結構在風荷載作用下 的變形非常微小,在此不再贅述。2013年10月第5期孫亞民等:高壓酸浸鋼結構廠房結構設計優化 # 2013年10月第5期孫亞民等:高壓酸浸鋼結構廠房結構設計優化 # 表3樓層位移與位移比(地震作用)摟層-SATWE結果ETABS結果層間位移(X)位移比(X)層間位移(Y)位移比(Y)層間位移(X)層間位移(Y)81/53091.11/1.011/31701.06/1.001/72771/183471/47751.12/1.031/28051.07/1,011/63261/386661/18321.26/1.28

17、1/12611.13/1.161/20501/262851/15531.30/1.341/13901.12/1.241/21341/229941/20911.27/1.471/22671.14/1.041/41341/229931/21401.22/1.321/23501.16/1.081/44581/186721/230417/1.401/22391.19/1.141/21061/165611/21991.08/1.081/19001.22/1.221/12441/14402013年10月第5期孫亞民等:高壓酸浸鋼結構廠房結構設計優化 # 2013年10月第5期孫亞民等:高壓酸浸鋼結構廠房結

18、構設計優化 # 2.2.5結構主要振型及周期通過兩種軟件分別對結構進行模態分析.得到 結構的各個振型及振動周期，見表4。通過對各個 振型進行比較分析后發現，計算出的結構前幾階振 型并不是整體振型，而是柱間支撐桿件在平面外的 局部振型。根據SATWE的計算結果，計算第11振 別為X向整體平動振型，第12振型為Y向整體平動 振型，第13振型為整體扭轉振型，周期分別為0.34 s、 0.33 s.0.30so根據ETABS的計算結果，第5振型為 X向整體平動振型，第6振型為Y向整體平動振型, 2013年10月第5期孫亞民等:高壓酸浸鋼結構廠房結構設計優化 57 第7振型為整體扭轉振型，周期分別為0.

19、28 s.0.27 s、 0.26 So結構的扭轉振型位于X向及Y向平動振型 之后，說明結構的整體性較好,在平面布置及質址均 不規則的情況下,通過支撐的有效布置，達到了比較 理想的結構響應，關于前幾階振型屬于支掠局部振 型的情況，說明強支撐框架結構體系的整體剛度很 大，支撐桿件的局部剛度偏小是需要注意的問題，但 是本結構因計算建模時假定支撐與框架的連接節點 為較接，而實際上支撐的端部連接節點為剛性連接, 故可以在一定程度上增強局部剛度，改善局部振型 較多的情況。SATWE結果ETABS結果第 採型周期第振型周期X向平動110.3450.28Y向平動120.3360.27扭轉130.3070.2

20、6表4結構主振型及周期2.2.6結構的剛重比高層結構應能保持整體穩定，以免產生滑移和 傾覆，結構的整體穩定主要依靠剛重比來反映，如 果結構的剛重比很小，在側向荷載作用下由于重力 二階(P-A)效應而產生很大的附加彎矩，對結構的 整體抗傾覆性能是非常不利的。表5中分別列出了 兩種軟件計算出的結構在X向和Y向的剛重比，如 表5所示，結構X向和Y向的剛重比整體相差不大, 并且均遠遠大于規范中規定的1.4,所以滿足整體穩 定性的條件。同時大于是否考慮重力三階(卩-4)效 應的臨界值2.7,說明結構的整體剛度很大,在計算 中可以不考慮重力二階(P-A)效應。表5結構剛重比(EJVGH2)5ATWE結果E

21、TABS結果X向Y向X向Y向剛重比71.2962.22114.39&73結構構造措施3.1設備下多重次梁與井字梁布置因為支承在樓層上的設備(主要是閃蒸槽)自 重、體積均很大，血且需要穿過樓板，在樓向上開洞， 因此支承次梁的布置方法將對整個結構的受力有很 大的影響。3多重次梁布置圖4為低壓閃蒸槽的不同次梁支承布置方式。 X向及Y向柱距均為8 m,中間開直徑6.8 m的洞口， 設備通過8個支座將重力傳到結構次梁上，之后傳 到主梁上每個支承點的荷載約為600 kN0圖4(a)為常規的布置方法，支承點到主梁端的 距離為3.2 m；圖4(b)為本工程采用的多重次梁布置 方法，支承點到主梁端的距離為1.5

22、 m0根據建筑 結構靜力計算手冊中梁端固支梁的計算公式，梁端 彎矩：M=-Pa(l-a/l)對圖4(a) M=-600x3.2x(l-3.2/8)=-l 152kN-m 對圖4(b) M=-600x 1.5x(l-1.5/8)=-73lkN-m(b)本I程次梁布實圖4不同次梁布置方式比較一可以看到，因為設備的豎向荷載,可以使主梁產 生很大的附加彎矩，同時通過梁柱節點的傳遞使框 架柱也產生很大的彎矩。而采用圖4(b)中次梁布 置方式之后,梁端彎矩降低了將近50%，可以有效減 小框架梁的截面高度。同時框架柱因設備豎向荷載 而產生的彎矩同時降低。從前面的論述可知，本結構為強支撐鋼框架結 構，包括地震

23、作用在內的大部分側向荷載都由支撐 承擔，而不是像純框架那樣完全通過框架柱的彎矩 來承擔。這樣一來，因設備重力而產生的柱端彎矩 將成為框架柱彎矩的主要部分，從而成為控制柱截 面的主要內力，這顯然是很不合理的,雖然加了很多 的柱間支撐，框架柱仍然需要很大的截面來抵抗彎 矩而不是軸力。經過在程序里的試算，如采用4(a) 布置方式,框架柱需采用高度為700的田型截面才 能滿足受力要求。而采用4(b)布置方案之后，僅需 采用600高的H型截面就可以滿足要求，因為此時 柱端彎矩大大減小，主要抵抗軸力。3.1.2井字梁布置圖5為高壓閃蒸槽兩種次梁支承布置方式。同 樣柱距均為8 m,中間開直徑4.9 m的洞口

24、，設備通 過8個支座將重力傳到結構次梁上。圖5(a)為常規的次梁布置方式，荷載全部傳到一個方向的主梁之 上,這將勢必造成這個方向的主梁彎矩很大,導致主 梁和相應的框架柱都需要很大的截面，而且這樣大 的荷載全部傳到一個方向的受力構件上對樓層整體 的受力悄況也是不利的。如按圖5(b)所示的井字 梁布置方案，采用兩個方向的鋼梁固接形成的井字 梁,將閃蒸槽的荷載均勻分配到兩個方向的主梁上, 可以將按圖5(a)布置的主梁彎矩減小一半，同時也 將荷載均勻分配到了兩個方向，增強了結構整體受 力的性能。I 1/ / /丨L (a)常規次梁布氏(b)本丁程次梁布蛙圖5不同次梁布置方式比較二3.2節點設計柱與主梁

25、連接、支撐與框架連接節點均采用剛 接形式，現場采用栓焊(翼緣剖口焊、腹板高強螺栓) 連接，如圖6所示。梁柱連接節點是結構構造的關 鍵部位，也是保證結構大震不倒的主要措施,它起著 在兩種構件之間傳遞彎矩和剪力的作用，而且所有 節點及其連接均應滿足強度、延性等方面的要求，現 行規范抗規、鋼規等對于節點處的抗震驗算要 求主要有強柱弱梁要求以及節點域的屈服承載力兩 個方面，這也充分體現了抗震結構中強柱弱梁、強節 點弱構件的設計思路。強柱弱梁方面，因為樓層上 設備荷載較重，使相應框架梁及樓層次梁會很高(最 大梁高900),如將框架柱也按強柱弱梁的要求加的 更大，將明顯不經濟。第一、本工程為鋼框架強支撐

26、結構,大部分側向荷載由支撐承擔，框架柱承擔的側 向荷載很小;第二、適當減小框架柱的軸壓比，使框 架柱留有足夠的延性儲備。通過以上兩個方面可以 在不需加大柱截面很大的情況下，保證結構的安全 性。強節點方面對鋼結構主要表現在節點域的抗剪 屈服承載力性能,因所有框架柱均采用H型截面，在 強軸方向上腹板較薄，抗剪能力較弱,在框架梁較大 的情況下可能會出現節點域的抗剪屈服強度不能夠 滿足要求，所以本工程采用節點域局部外貼鋼板補 強的方法進行了加強，保證了強節點弱構件的結構 抗震設計要求。4結語圖6框架節點的連接形式本文在充分考慮工藝要求與結構受力多方面的 因素的情況下，通過合理的結構選型與抗側力構件的布

27、置解決了在高地震烈度區重型設備布置不規 則給結構設計帶來的困難，同時通過采用兩種空間 有限元計算程序的計算，通過結果比較進行優化設 計。結構在受力、豎向及平面規則性以及整體性等 方面均能滿足規范的要求，同時能夠達到較好的效 果。證明鋼框架-中心支承的結構體系，完全可以 滿足工藝布置和結構受力方面的要求，適于在高烈 度區，重型設備布置不規則的條件下采用。通過采用多重次梁與井字梁的布置方法，使得 框架柱的截面尺寸得以按照軸力而非彎矩進行控 制，截面尺寸大為減小，結構整體受力也更加合理. 可以供以后的類似工程借鑒。項目已于2012年3月 開始正式投料試車，并順利實現全流程一次性投料 試車成功，產出合

28、格的氫氧化鎳鉆產品。2012年12 月6日舉行了竣工典禮，由建設期轉入生產期。 2012年4月廠房附近曾發生較大地震(7.3級)，工程 結構完好無損。參考文獻1 GB50017-2003.鋼結構設計規范.(2) GB5OOH-2OIO,建筑抗震設計規范|SJGJ 99-98,S層民用建筑鋼結構技術規程.4建筑結構靜力計算手冊編寫組.建筑結構靜力計算手冊M(第 二版)北京:中國建筑工業出版H.199 &|5|鋼結構設計手冊編輯委員會.鋼結構設計手冊(第-版)北 京沖國建賀工業出版社.2007.6 北京金土木軟件技術有限公司，中國建筑標準設計研究院. ETABS中文版使用楷南M 北京：中國建筑工業

29、01版H.2OO47 王長寧王祿鵬.高層全鋼框架支撐結構體系的優越性分析J 鋼結構,2006.21(1):21-24.8 張艷減劉金瑤鋼框架-支搏體系側向剛度分析J鋼結構. 2007.22(10):62-679 O1(O4)SG5I9.多高層民用建筑鋼結構節點構造詳圖同卓高柱劉 欄等.鋼構架中H型鋼梁柱剛性接頭探討J鋼結 構.2007,22(10):73-75.2013年10月第5期孫亞民等:高壓酸浸鋼結構廠房結構設計優化 # 2013年10月第5期孫亞民等:高壓酸浸鋼結構廠房結構設計優化 # Structural design optimization of steel structure

30、high pressureacid leaching plant buildingSUN Ya-min,ZHANG MingAbstract: The floor layout of steel structure high pressure acid leaching plant building located in Smelter is complex, dnd heavy equipment are supported on platforms of different floors In addition, this project is located in a high seismic risk area, this brings a comparatively difficulty to the engineering design Through a comparative analysis of various options, and conbined with technological re