中欧规范下炼油加热炉钢结构设计对比_张伟乾.pdf

收稿日期：；修改稿收到日期：。作者简介：张伟乾，男，年毕业于中国石油大学（北京）化学工艺专业，工学硕士，长期从事石油化工加热炉设计工作，已发表论文篇，高级工程师。：。中欧规范下炼油加热炉钢结构设计对比张伟乾（中国石化工程建设有限公司，北京 ）摘要：随着项目国际化的深入，越来越多的炼油装置加热炉需要按照国外规范进行结构设计，文章对欧洲规范和中国规范在加热炉钢结构设计中的规范体系、设计原则、风荷载、地震作用、荷载组合、结构布置及节点做法等方面进行了对比，以期能够为国内工程设计人员提供借鉴和参考。关键词：中国规范欧洲规范加热炉钢结构 ：在石化行业，加热炉是重要的物料加热设备，其长期处于高温环境下，炉管排布、燃烧器布置、进出口管线等形式复杂，同时，还具有钢结构跨度大、炉膛的空腔内无立柱横梁支撑并带有自支撑烟囱等结构特点，设计时应充分考虑其建设的安全性和经济性，并在此基础上尽量做到结构设计合理、简洁、美观、适用。随着项目国际化的深入，工程公司开始越来越多地承担海外炼油项目的工程设计，然而，不同国家都习惯使用本国熟悉常用的设计规范，不同的加热炉公司对加热炉结构设计的理解、节点处理也都有各自的特点，使得海外项目设计过程中面临执行标准国际化的挑战。目前，加热炉工艺设计已经基本做到了国内规范与国际规范接轨。但对于加热炉的结构设计，国际通行的设计方式是遵循结构专业的通用设计规范。与加热炉工艺设计规范专业化不同，结构专业设计规范是一套通用的、比较成熟的专业规范体系。由于设计理念、习惯传承的不同，各国规范并没有统一。除了国标体系，欧洲标准作为一套成熟、先进的规范体系，在欧洲、非洲、亚洲等多个国家均有应用。本文将就加热炉设计过程中中欧规范的区别进行对比，从规范体系、设计原则、风荷载、地震荷载、荷载组合、结构布置及节点做法等方面分析两者的异同，以便能够为今后国外项目采用欧洲规范进行加热炉的结构设计提供参考。规范体系欧洲规范是欧洲一体化进程的产物，是由欧洲标准化委员会（）编制的一套完善的结构设计规范，致力于“建立一套关于建筑与土木工程设计的常用技术标准，以最终取代欧盟各成员国相关的各种不同的标准”。全套规范体系一共分为 个部分（），对从基本理论基础、荷载作用的定义到各种材质下结构的设计等方面分别作了规定，条款之间相互引用，是一套完整的体系。其中加热炉结构设计采用的规范有如下个部分：欧洲规范结构设计基础 欧洲规范结构上的作用 欧洲规范钢结构设计 欧洲规范抗震结构设计欧洲规范为推荐性规范，欧洲各国在使用时，基本上是依托该套规范，按照各自国家的实际情况，对规范的个别条款进行修改或补充，包括本国规范中的一些强制性条款，从而编制成为该国规范的附件。国内通用规范则是以强制性为原则，条款基本上要求完全遵守。这虽然牺牲了设计人员的自主性、创造性，却在一定程度上保护了设计人员，也促进了设计成品的标准化。但相比较来说，国内的各个规范相互独立，内容也有相互之间重复定义的部分。国内设计加热炉用到的结构规范如下：建筑结构荷载规范 （年版）建筑抗震设计规范标准与规范石油化工设备技术，（）钢结构设计标准 建筑结构可靠性设计统一标准 工程结构通用规范 建筑与市政工程抗震通用规范设计原则 为结构设计原则，内容对应于 建筑结构可靠度设计统一标准（以下简称 ）和 建筑结构荷载规范。该规范规定了结构设计的基本原则，涉及结构基本要求、极限状态设计、结构分析方法、分项系数法等几个方面，为欧洲规范其他各章提供相应的设计参数和基本准则。设计使用年限设计使用年限按照 的定义，是指设计规定的结构或结构构件不需大修就可满足其设计使用功能的时间。加热炉钢结构属于普通结构构筑物，中规定为 年，与中国规范采用的设计使用年限是一致的（见表）。可靠度划分欧洲规范基于可靠性设计的要求，对结构失效产生的后果进行了分级，相当于对结构的重要性进行了程度划分。欧洲规范相应的规定相当于 中的“建筑结构安全等级”（见表和表）。表设计使用年限对比欧洲规范中国规范设计使用年限示例设计使用年限示例 临时性结构临时性结构 易于替换的结构构件 易于替换的结构构件 农用及类似结构 普通房屋和构筑物 建筑结构和普通结构 纪念性建筑和特别重要的建筑结构 具有纪念性或大型建筑、桥梁和其他构筑物表欧洲规范后果等级（）划分重要性类别描述 造成重大的人员生命和财产损失，对社会或环境造成严重后果 造成较大的人员生命和财产损失，对社会或环境造成较大后果 造成轻微的人员生命和财产损失，对社会或环境造成较小后果在石化加热炉的结构设计中，国内采用的安全等级为二级，欧洲规范采用的重要性类别为 ，二者基本一致。表中国规范安全等级划分安全等级破坏后果建筑物类型一级很严重重要的房屋二级严重一般的房屋三级不严重次要的房屋风荷载欧洲规范风荷载作用力确定顺序如图所示。中国规范风荷载作用力确定顺序如图所示。图欧洲规范风荷载确定流程图中国规范风荷载确定流程第 卷第期张伟乾中欧规范下炼油加热炉钢结构设计对比欧洲规范的平均风速与中国规范的基本风速确定方法是一样的，都是取 高开阔区 的平均年最大风速，按照 年重现期、超越概率确定。值得一提的是，尽管取值上是一致的，但在地理环境、结构体型、脉动风以及结构动力响应等方面所取系数的差别，造成二者最终用于设计的风压值还是有所区别的。经计算，对于加热炉这种高度通常在 以下的框架结构，欧洲规范得出的风压值比中国规范要大一些。地震作用欧洲规范中 （以下简称 ）是关于结构抗震的规范，采用的是两水准抗震设防目标，即不倒塌要求和受损极限要求。其中，不倒塌的要求对应 年超越概率（重现期 年）的地震烈度，受损极限要求对应 年超越概率（重现期 年）的地震烈度。最终用于结构设计的基准峰值加速度是不倒塌要求对应地震烈度下的加速度值。国内的抗震设计规范采用的是三水准设防，即“小震不坏，中震可修，大震不倒。”以众值烈度（年超越概率，重现期 年）下地震动参数得到的地震力乘以分项系数后的基本值组合进行弹性工作阶段验算，附以构造措施满足“小震不坏和中震可修”；以罕遇地震（年超越概率，重现期 年）下地震动参数得到的地震力标准值组合进行弹塑性工作阶段的验算，以控制位移结果及相应的构造措施来满足“大震不倒”。由此可见，欧洲规范实际对应的是我国设防烈度条件下的弹性设计。因此，欧洲规范中的地震作用等同于偶然作用，而中国规范中的地震作用等同于可变作用。这一区别也是造成两者在设计中采用的组合方式不同的原因，下文将具体说明。荷载组合欧洲规范和中国规范都采用了基于可靠度分析、以分项系数表达式表述的极限状态设计方法，两种极限状态均为承载能力极限状态和正常使用极限状 态。工 程 结 构 通 用 规范 和 建筑与市政工程抗震通用规范 中，对结构设计的种状况也进行了规定，与欧洲规范是一致的。两种规范中荷载组合的分项系数和组合值系数的对比见表和表。表分项系数对比规范恒荷载不利有利活荷载风荷载地震作用欧洲规范 中国规范 表组合值系数对比组合系数活荷载风荷载欧洲规范中国规范欧洲规范中国规范持久及短暂工况（基本值）组合值系数 偶然工况组合频遇值系数 偶然工况组合准永久系数 欧洲规范中正常使用极限状态下的荷载组合与中国规范荷载组合一致，都是标准值组合。需要特别说明的是地震工况。由于欧洲规范采用的是设防烈度下的弹性验算，因此地震作用被看作偶然荷载，因而采用的是标准值组合，各荷载分项系数均为。同时，结构材料的强度分项系数也为。这种组合下，达到的效果是“中震不屈服”。而中国规范的抗震验算采用的是比设防烈度低约度的众值烈度下的弹性验算，即地震作用被作为可变作用参与到了基本值组合当中，分项系数为，同时，考虑了材料的承载力抗震调整系数和构件的内力放大系数，从而达到“小震弹性（不坏），中震可修”。可见两套规范在抗震设计的理念上还是有所差别的。布置及节点做法加热炉的结构布置和节点做法涉及到不同国家、甚至不同工程公司的传统习惯，差别就更大了。下面以某国外工程公司在某项目中按照欧洲规范设计的加热炉为例进行说明。图和图所示的台加热炉采用了非对称结构，与国内加热炉整体上推崇布局对称、刚度对称有很大不同。图所示为某台圆筒炉辐射筒体中部，外挑支架梁支撑在炉壁板的柱子上，并没有传统意义上的支撑点，实际是在进行结构计算时，将该柱与壁板联合建模，使之整体受力，支架荷载通过柱子最终传到壁板及其加强槽钢上。此时的柱子更像是壁板的加强构件，而壁板则是结构承载主体。石油化工设备技术 年图国外加热炉图国外加热炉图某圆筒炉支撑处做法图为某台加热炉对流顶钢结构模块。该模块中，烟囱下方的桁架结构上、下均没有传统意义的压杆和拉杆，结构计算模型中腹杆与壁板及其加强槽钢联合作为上部烟囱的承重体系。图某加热炉对流顶局部示意以上案例虽未涉及规范内容，但却体现出了国内外在加热炉结构设计上的理念的不同。随着计算机软件技术的进步，计算手段更加精准、高效，国外工程公司在进行加热炉钢结构设计时，截面设计更加精细化，且注重所有构件的结构性能，大量槽钢、角钢等非对称截面的型钢也被作为结构构件使用。壁板也不仅有维护结构的作用，而且作为力学分析模型中的结构构件已成为结构承载的主体。结构体系也更加自由，借助先进的有限元分析工具，大量非对称、非常规的结构也被用于实际工程当中。这些都开拓了加热炉结构体系的设计思路，为今后的设计提供了更多可借鉴的素材。结论本文主要研究了中欧规范中炼油加热炉钢结构设计的基本要求、结构设计可靠度、设计使用年限、荷载组合及设计习惯等方面的内容，通过对比分析得出如下结论：）根据破坏后果严重程度将结构分为个安全等级，即 、和 ，这与我国钢结构规范是一致的。中欧规范都将极限状态分为正常使用极限状态和承载力极限状态，欧洲规范还考虑了疲劳极限状态，其目标可靠度比中国规范略大。但中国规范中对于脆性破坏和延性破坏基准期的设定不同，欧洲规范中无此规定。）中欧规范关于设计使用年限的分类不同。欧洲规范对于临时性结构的设计使用年限要求更高，规定更细致，而中国规范对于可替换的结构构件要求更高。）欧洲规范的平均风速和中国规范的基本风速都是取 高开阔区 的平均风速，按照 年重现期和超越概率确定。但二者在地理环境、结构体型、脉动风以及结构动力响应等方面的取值系数上存在差别。经计算，对于高度在 以下的加热炉钢结构来说，按欧洲规范计算得出的风压值比中国规范略大。）欧洲规范 采用两水准抗震设防目标，大致对应于中国规范中小震和中震的设防水准。欧洲规范中的地震作用等同于偶然作用，而中国规范中的地震作用则等同于可变作用，这也造成两者在设计中采用的组合方式不同。）加热炉结构设计体现出中欧设计理念的不同。国外的工程公司在进行加热炉钢结构设计时，根据模块化的需要，结构体系布置更加灵活，截面设计更加经济，非对称结构体系的应用在一定程度上开拓了设计思路。第 卷第期张伟乾中欧规范下炼油加热炉钢结构设计对比 ，：），；），：），；），；），：；，（，）：，：；，（，）：，：；（，）：，：；，（.，.，；.，.，）：