化工建筑中高炉设备荷载的不同输入方式对结构的影响
摘要：工业建筑设备的荷载形式多种多样，结构设计人员在结构分析时很难对设备荷载进行准确地输入，设备被折算成等效荷载作用结构上，因此不能正确反映设备与结构的组合体系及整体综合动力特性，结果的多样性让设计人员困惑。
在现代化工业生产、工艺不断更新的要求下，工业建筑的结构体系日趋多样化，建筑布置与竖向体型越来越复杂，设计要求也越来越高。石油化工类建筑结构是工业建筑中比较特殊的一类结构体系，在这类结构体系中，工业设备和建筑设备结构之间往往会比较复杂地组合在一起，从模型特征方面讲，设备模型与建筑结构部分的模型会有很大的区别，两个部分的荷载属性基本不一致，除此之外，设备和结构相连接的部位也是整个结构的关键部位。从国内外的环境来看，土建结构设计人员对设备的工艺了解不多，化工设计人员对结构设计方面又不是很了解，因生产需要导致设备的布置往往不是很合理，设计人员只有通过设备的土建条件信息获取荷载，不同设计院对荷载的取值不一样。工业设备应参与结构的整体计算分析，设备荷载如何能正确作用于结构上，是急需解决的问题。
案例：
- 工程条件
山西太原某中科院煤化所灰熔聚气化车间，建造于城市郊区，运用于化工试验，丙类建筑，建筑结构形式为钢框架-中心支撑结构，建筑层数共七层，建筑高度为30m，建筑面积为1090㎡，采用单跨结构，平面布置采用矩形，长18m，宽8m，柱距4.5m，。该车间无外墙围护结构，含有上升管、下降管、进料斗、下料斗、分气缸、气化炉等大量工业建筑设备，大型气化炉属于高炉设备，底座不落地，炉身贯穿中部楼层，采用环箍钢梁将其固定，用于保证高炉的整体稳定。本工程属于高层建筑，由《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第8.1.5款：采用框架结构时，甲、乙类建筑和高层的丙类建筑不应采用单跨框架，多层的丙类建筑不宜采用单跨框架。由此判断该单跨高层钢框架-中心支撑结构属于超限结构。
- 设备荷载
本例中的高炉设备分两个炉身，炉身一从二层延伸到七层，高达21m,炉身直径为2.0m，炉壳壁厚为20mm,炉身二从五层延伸到七层，高度达9.5m,炉身直径为2.5m,炉壳壁厚为20mm,两炉身之间由直径为0.8m，长度为1.0m的管道相连接。炉身一自重为260KN，灌满溶液后总重为890KN；炉身二自重为130KN，灌满溶液后总重为315KN。二自重为130KN，灌满溶液后总重为315KN。
2.1支座等效荷载
工业设备荷载在等效输入时，若荷载等效作用直接加载在支座的支脚上，在输入时应注意：有四个支脚的设备，不可将总设备荷载分成四等分，每一等分作为每个支脚的荷载。由于施工的偏差，可能支脚的支撑面不在同一个标高，设备支脚可能不是四个支撑面，而是三个支撑面或两个支撑面，所以计算每个支脚的设备荷载时，应将总的设备荷载三等分或二等分，而不是四等分。
图3高炉设备支座 图4高炉设备 图5虚拟柱与楼层交接
2.2虚拟柱等效荷载
在工业建筑中，高炉设备刚度很大，自重重、设备高是其独特的特点。这些高炉设备（图4）作用在结构上，竖向荷载直接传递给下面支撑梁构件，在地震作用下，由于高炉自身很刚，可以作为一个刚性体对待，高炉自身地震力的合力应该在高炉质心位置，在各层楼面位置都有钢梁环箍作用保证高炉的整体稳定，因此这些水平地震力会通过各层的环箍梁传递到上面各层[4]。如果把高炉荷载直接输入到其支座所作用的楼层上，其水平地震力只会统计在其支座所在层，对上面其他各层的传递作用就没有办法体现，而且高炉上水平作用力的作用点下移，地震对结构整体的倾覆弯矩也会计算偏小。
针对这种情形，可以采用一个虚拟柱来模拟高炉质量沿高度的分布情况（图5），在高炉位置通高建立一个虚拟的柱子，根据就近集中的原则，高炉的自重以恒荷载方式分散到每个约束层面虚拟柱所在的节点，高炉内所装物品重量作为活荷载加到各层面虚拟柱所在节点。除了支座层以外，其他各层采用两端铰接梁连接虚拟柱与所在层构件，使水平力可以传递到对应层面，但是作用虚拟柱节点的竖向荷载都通过虚拟柱传递到高炉支座层面，虚拟柱底建立十字梁或米字梁把虚拟柱传递来的高炉竖向荷载传递到支撑高炉设备的梁构件。这种方法可以模拟高炉产生的地震力沿其高度的实际分布状态，但不考虑高炉的刚度贡献。
2.3设备模拟荷载
建筑结构一般情况下是由梁板柱等常规构件组成，而工业设备往往是由管状、筒状等组成，一般的工业设备需要使用壳单元来模拟，SAP2000可以使用真实的壳单元来模拟工业设备，还可以将两个不同的模型（建筑结构和工业设备模型）组装在一起，一般情况下是将设备模型导入到建筑结构模型中。如图所示：
图6高炉设备与框架正立面 图7高炉设备模型图 图8高炉设备与框架侧立面
SAP2000在建模过程中需注意，设备与框架组装时，设备坐标定位需与原框架坐标一致，设备与环箍梁的接触处，应使用点的束缚，将设备稳固起来，此时还需考虑设备与梁在荷载作用下是否会发生碰撞问题，可在缝隙较小处采用弹性连接的连接单元。因设备较高，在其中部存在固定支座，通过地脚螺栓与周边梁连接起来，建模时需采用恒力杆与结构相连。在设备的建模过程中，两个炉身通过一刚性管道连接起来，处理管道与炉身的连接，同样需要将其连接点通过点的束缚命令，将其与炉身固接起来。对设备需考虑设备内部的表面压力作用，建筑无围护结构，设备挡风面积不大，不考虑风荷载作用。振型结果见表3
- 分析结果对比
通过对上述三种荷载输入方式作用下的结构进行分析，结构在地震作用下的底部剪力与最大周期有明显的变化。详见下表
高炉设备荷载输入方式比较
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加载方式 |
底层X向总水平地震力（KN） |
底层Y向总水平地震力（KN） |
最大周期（s） |
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直接加载到支座上 |
266.257 |
224.126 |
0.590575 |
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虚拟柱加载到各层 |
234.243 |
197.243 |
0.67915 |
|
设备模拟加载到各层 |
286.573 |
221.41 |
0.93178 |
从表中可以看到采用设备模拟的加载方式，结构的底层总水平地震力最大，设备质量延楼层高度均匀分布，对各楼层地震作用力产生的影响而引起剪力增大，接近真实情形。设备在地震作用下的地震频率与框架结构的频率不一致，导致结构整体的自振周期变大。在实际工程中应注意加强设备与各楼层的连接，将设备布置在结构的中间部位，使其布置合理，减小结构的扭转。
采用支座加载方式，周期最小。将荷载等效加载在支座层上，其中恒荷载将转化成等效质量作用于支座所在楼层上，导致结构各层的质量分布不均匀，楼层剪力发生突变，容易产生薄弱层，与实际情形不符。在实际工程中，应增强底部柱子抗剪能力，同时加强设备贯穿楼层的梁。
采用虚拟柱加载方式，底层水平地震力最小，在设备与楼层交接处，设备荷载通过虚拟梁和虚拟柱传递给框架梁柱，比较符合真实情况，但虚拟柱只传递力，并不具有刚度，其他楼层的剪力都比支座加载方式对应的剪力大，支座所在层的柱剪力偏小。实际工程中，只需加强底层与支座所在层的柱即可。
由表1～3中振型刚度可知，考虑设备时的振型刚度最小，即楼层的抗侧刚度最小，设备消弱了框架的抗侧刚度。设备在水平地震作用下会发生摆动，引起的P-Δ效应加大了结构的侧移[。对比三种分析结果可知，采用设备模拟加载到各层上的荷载加载方式获得的结果最不利，且最接近实际。
- 结语
工业建筑中的设备很复杂，设备对结构的抗水平地震力、周期及刚度都有很大的影响，建议在结构分析时，将设备模型与结构模型组装整体分析，这就需要结构工程师了解工业建筑的特性及化工设备的土建条件，获取详细的荷载信息，将荷载准确加载在结构上。
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