石油化工构筑物抗震设计规范讲座

石油化工构筑物抗震设计讲座《石油化工构筑物抗震规范》（SH/T3147-2004）编制是根据国标《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）和《构筑物抗震设计规范》（GB191-1993）有关章节，结合石油化工构筑物的特殊性编制的，随着近几年来世界各地发生地震的情况，特别是汶川地震后对构筑物的破坏情况的调查，必将对现有规范作一些调整，补充。一、构筑物分类原规范按S43069分类，现在应按国标《石油化工建构筑物抗震设防分类》（GB50453-2008），这本规范划分比较详细，把原有建筑物和构筑物二本规范进行了合并、具体化，即区分不同装置内的各类建筑物、构筑物，还补充了化工生产装置，化纤生产装置，辅助生产及公用工程等设施的内容，各类建筑物可划分为甲、乙、丙、丁类，目前石油化工企业均无甲类建（构）筑物。建筑物分类是按重要性，生产介质来划分，如主控室、压缩机厂房、轻油泵房等划为乙类，其余大多数划分为丙类，主风机厂房虽然生产中没有可燃气体，但由于其重要性，仍划为乙类，轻油泵房虽然厂房规模不大，但由于生产过程中使用可燃易爆介质，仍划分为乙类。构筑物的划分，主要根据设备重要性，生产介质和设备高度综合考虑，以炼油生产装置为例，分成9类：1.框架类：两器，三旋，加氢反应器框架、重整反应器框架、重整再生框架，焦碳塔架，其它高悬重心框架划分为乙类，其它均为丙类。2.塔炉设备基础：构架式塔基础乙类落地式塔基础（塔高H≥80m）乙类（塔高H≤80m）丙类3.钢筋混凝土烟囱（H≥100m）乙类（H≤100m）丙类4.动力机器基础：构架式乙类大块式、墙式丙类其它动力基础（含泵）丙类5.卧式设备基础及容器高压冷换设备基础乙类一般冷换设备基础、构架式容器丙类容器基础丙类6.压力容器基础：球罐基础乙类压力储罐基础乙类7、池类丙类8、管墩丙类9、其它（管沟、井、过桥、地下井类）丁类从上看既有合理性，亦有不合理处，例塔炉基础只要是构架式塔基础，不论塔的高度，均为乙类。二、地震作用计算目前抗震计算主要有三种方法，即振型分解反应谱法，底部剪力法和时程分析法。振型分解法：适用于多位点体系，计算较精确，但工作量大，需计算结构的自振频率和振型。底部剪力法：单层或多层等建构筑物在地震作用下仅发生基本振型振动，或者发生以基本振型为主的振动，或者侧移形态可以采用一个既定曲线图形或某一规律来代表，这些仅按唯一形态挠曲的结构，由于各部位相对位移的比值在任何时刻是相同的，不同时刻结构各点位移以同一比例放大或缩小，宛如一个刚体作单自由度运动，从而使原来的多自由度体系简化为广义单自由度运动。任何时刻，只要知道结构上某一点位移，其它各点位移就能确定。因此这类结构在地震作用下的强迫振动只有一个位移未知量，作用于构筑物上各个部位上的地震作用将因一个数值的确定而整个地被确定，这样减少了计算工作量。时程分析法：由于反应谱法不能很好符合不同工程地点的实际地质环境，场地条件及地基土特征，从而引起计算地震荷载可能偏差较大，也不能很好反应场地各个土层的动力影响，且反应谱法仅是最大值的包络图，有时不能找出结构薄弱部位，当结构进入弹塑性阶段时，此法误差较大，从而引出时程分析法，在上亦称步步积分法，或直接动力法。抗震计算方法的选用：底部剪力法：高度（含支承设备的高度）不超过65mm，且质量和刚度分布比较均匀的结构，以及近似单质点体系。例如：塔基础、两器框架等，抗震规范（国标）为不超过40m，以剪切变形为主，且质量和刚度、高度分布较均匀的结构，以及近似单质点体系的结构。振型分解反应谱法：除上述外的结构。时程分析法：甲类构筑物或规范另有规定的构筑物，除应用底部剪力法或振型分解反应谱法外，尚应用此法进行补充计算。三、钢筋混凝土框架设计应在结构单元的二个互轴方向分别计算水平地震作用，并进行抗震验算，各方向的的水平地震作用，应全部由该方向的抗侧移构件承担。因此，框架设计应做到：a.二个方向均应为刚接，过去做法一般为横向刚接，纵向框架为铰接或连续梁，今后均应做成刚接，因为超静定结构有利于抗震。b.断面是决定因素，较大断面有利于抗剪和防止位移超值，相对于配筋而言，断面增加比钢筋增加起作用更大。c.应考虑角柱双向偏心受压，尤其是二个方向均为单跨的结构，更应注意，例如两器框架，当计算一个方向的地震作用内力时，尚应考虑另一方向由于设备自重，外加偏心荷载作用下引起的内力，因此角柱存在双向弯矩，轴力和水平力，即应按混凝土结构设计规范中第7.3.14条验算。否则可能留下隐患，不能因为计算麻烦而取消计算，还应树立这样一个概念，即许多框架投产后，未经历过地震，现在不出事，不等于将来不出事。d.抗震结构中的钢筋使用，根据抗震规范3.9.3条，纵向受力钢筋宜选用符合抗震性能指标的HRB400级热轧钢筋，也可采用符合抗震性能指标的HRB335级热轧钢筋，这种钢筋可按（GB1499.2-2007），《钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》中7.3.3条，有较高的抗震结构适用牌号为表1中钢筋已有牌号后加E，如HRB400E，HRBF400E表1　钢筋牌号及构成（GB1499.2-2007）类别牌号牌号构成英文字母含义普通热轧钢筋HRB335由HRB+屈服强度特征值构成HRB-热轧带肋钢筋的英文（HotrolledRib-bedBars）缩写HRB400HRB500细晶粒热轧钢筋HRBF335由HRBF+屈服强度特征值构成HRBF-在热轧带肋钢筋的英文缩写后加“细”的英文（Fine）首位字母HRBF400HRBF500表2　钢筋力学指标牌号ReL/MPaRm/MPaA/%Agt/%不小于HRB335HRBF335335455177.5HRB400HRBF40040054016HRB500HRBF50050063015直径28mm~40mm各牌号钢筋的断后伸长率A可降低1%；直径大于40mm各牌号钢筋的断后伸长率A可降低2%。有较高要求的抗震结构适用牌号为：在表1中已有牌号后加E（例如：HRB400E、HRBF400E）的钢筋。该类钢筋除应满足以下a)、b)、C）的要求外，其他要求与相对应的已有牌号钢筋相同。钢筋实测抗拉强度与实测屈服强度之比Rom/RoeL不小于1.25。钢筋实测屈服强度与表6规定的屈服强度特征值之比RoeL/ReL不大于1.30。钢筋的最大力总伸长率Agt不小于9%。注：Rom为钢筋实测抗拉强度；RoeL为钢筋实测屈服强度。今后在高烈度区，如八度、重要结构如两器框架，可考虑选用。四、地震作用分项系数原国标抗震规范中地震作用分项系数，当同时计算水平与竖向地震作用时VEh＝1.3，VEV＝0.5，当用于构筑物时，应分成二项。当水平地震作用为主时　VEh＝1.3，VEV＝0.5当竖向地震作用为主时　VEh＝0.5，VEV＝1.3这是因为对大跨度，大悬臂结构，震害表明，竖向地震作用比较显著，这在新编国标建筑抗震规范工作修改。五、现浇钢筋混凝土框架抗震等级，对六度区已作局部调整，见表3烈度框架结构框架-抗震墙结构高度抗震等级高度框架部分抗震等级抗震墙部分抗震等级6度≤25（30）四级≤50（60）四级三级>25（30）三级>50(60)三级7度≤30三级≤60三级二级>30二级>60二级8度≤30二级≤60二级二级>30一级>60一级二级9度≤25一级≤50一级二级注：接近或等于高度分界时，结合框架不规则程度及场地、地基条件确定抗震等级。表3　现浇钢筋混凝土框架结构抗震等级表中数值为原国标抗震规范。新编抗震规范则更为严格，6至8度区框架结构按高度24m分界，框架-剪力墙结构亦作如下修改，详见表4结构类型设防烈度6789框架结构高度（m）≤24>24≤24>24≤24>24≤24框架四三三二二一一框架-抗震墙结构高度（m）≤60>60<2424~60>60<2424~60>60≤2424~50框架四三四三二三二一二一抗震墙三三二二一一六、钢结构框排架钢结构应优先采用框架-支撑结构，连梁要优先考虑采用刚连。有设备的平台或顶层优先考虑设水平支撑。水平支撑可设在梁底部，但支撑杆端部宜与该层框架梁的腹板和下翼同相连。水平支撑布置与竖向支撑应相协调。钢排架构筑纵向抗侧力体系宜采用柱间支撑，当条件限制时，也可采用刚架结构。各层钢框架梁，断面尽量刚度不要相差太悬殊，以便变形协调。七、管架纵向较长的管架应设温度缝，每个温度区段中部应设置纵向上下柱向支撑。带有空冷的管架，其两侧相邻管架要考虑将来二侧有增加空冷的可能，因此相邻纵向2~3柱距内管架柱断面不应太小，并考虑将来有伸上去的可能，尚应注意节点连接，尤其是钢筋混凝土管架预埋件的锚固，必须进行计算。八、烟囱砖烟囱自振周期应注意荷载规范给出的和烟囱设计规范不同，烟囱规范计算自振周期较大，当以风荷载为主时，计算有利，当在高烈度区，计算出地震力可能偏小，钢筋混凝土烟囱存在同样的问题。高度不超过60m的砖烟囱自振周期T1＝0.23+0.22×10-2H2/d荷载规范T1＝0.26+0.24×10-2H2/d烟囱规范高度不超过150m的钢筋混凝土烟囱自振周期T2＝0.41+0.10×10-2H2/d　　　　　　　　　　荷载规范T2＝0.45+0.22×11-2H2/d　　　　　　　　　　烟囱规范高度超过150m，但低于210m的钢筋混凝土烟囱自振周期T＝0.53+0.08×11-2H2/d　　　　　　　　　　荷载规范T＝0.53+0.081×11-2H2/d　　　　　　　　　　烟囱规范九、框排架中填充墙和围护墙框排架结构中填充墙一般用粘土砖或空心砖，由于它与钢筋混凝土材料不同，在地震中，相互共同作用不很明显，当采用实心砖时，应嵌砌在框架平面内，因为它有一定的抗侧力作用，柱与墙应有很好的接接构造措施。围护墙宜放置在排架外侧，宜采用空心砖或其它材质墙体，从汶川地震震害调查报告来看砌体结构震害整体高于框架结构，装配式钢筋混凝土结构高于现浇结构。墙体破坏有二个原因，一是墙体材质较差，抗剪能力较差，二是与柱梁缺乏可靠连接，特别是墙体较高或墙体较长时，因此适当增加构造柱与圈梁，特别是较大门墙洞口处增加水平圈梁和构造柱，能起到结构的第二道抗震防线作用，此外，墙体应有梁承重，并与梁底可靠拉结为宜，底层砖砌体宜有地基梁承重，尽量不做自承重结构。作为楼梯间四侧应设构造柱，并从基础开始一直伸到顶层，不应中间断开。十、其它一些说明1.构造配筋与最小配筋率构造配筋分以下几种情况：a、为防止混凝土结构表面产生裂缝，而适当配置的表面钢筋，如较大的泵基础，大块或动力基础。b、考虑建筑外形需要，当有较大断面时受力并不需要而配置的外表面及侧面钢筋。c、考虑构件的重要性而配置的钢筋，如动力基础，顶板直径为16~18mm，间距为200~250mm，侧面配Ø16钢筋间距为250~300mm，同时对梁、柱规定了受力钢筋和箍筋的直径，抗震规范同样有此规定。因此构造配筋不同于最小配筋率。最小配筋率是指在受力情况下，为了安全而配置的最小钢筋量，在不同情况下有不同要求，如钢筋混凝土结构在抗震情况下，纵向受力钢筋配筋率远大于一般情况下的配筋率。最小配筋率在地基规范并无说明，因为有以下几点：当为刚性基础时，基础可不配筋；其次对于台阶式基础，是取边缘高度还是最大高度，还是平均高度来计算最小配筋率，相差较大，因此基础规范中规定扩展式基础配筋应按抗弯计算确定并非按最小配筋率计算，而按基础受力钢筋最小直径不宜小于10mm，间距在100mm至200mm之间。对于大块式动力基础配筋，均应按构造配，没有最小配筋率概念。2、设计使用年限应注意设计基准期是指确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而使用的时间参数，一般为50年（即设计时考虑荷载作用的统计参数，均是按此基准期确定的）设计基准期不同于设计使用年限。设计使用年限是指设计规定的结构或结构构件在正常设计，正常施工，正常使用和一般维护下不需进行大修所应达到的使用年限。设计使用年限不同于建（构）筑物的使用寿命。同一建筑中，并非所有构件用同一使用年限。结构和地基基础可有不同的设计使用年限。因此图纸中应正确写明结构和基础使用年限，不应写设计基准期。3、后浇带作用释放混凝土硬化过程中的收缩应力，控制裂缝。过去后浇带中钢筋，用于梁时焊接，板墙为搭接，20世纪90年代后，钢筋可连续。此外，现有图集中后浇带增设加强筋，这是没有必要的，因为增大约束，丧失后浇带作用。4、关于总公司规范写法问题今后凡选用2000年以前的标准写法如SHXX-88等一定要写SHXX-1988。5、关于钢轨材质分铁路用用钢轨及起重机用钢轨，许多是一致，其中38~50kg/m的钢轨既适用铁道，变也适用于起重机，它的钢号有U71、U74、U71Cu、U71Mn、U70MnS、U71MnSiCu、共6种。单独用于起重机的钢轨分QU70、QU80、QU100、QU120，其材质钢号为U71Mn轻轨分为9kg/m，12kg/m，15kg/m，22kg/m，30kg/m，其钢类分碳素钢（50Q、55Q）和低合金钢（45SiMnP，50SiMnP，36CuCrP），目前尚生产8kg/m，11kg/m，18kg/m，24kg/m钢轨。