某煤气化框架结构设计方案分析

李扬

摘要：随着国家能源战略的调整，煤化工的行业发展受到了有效推动;煤气化是煤化工中的重要产业，在满足能源需求和降低环境污染两方面都有较大作用。在项目中，须结合煤气化单元的设备布置、管道布置、结构需求等对气化框架进行设计。本文对煤气化框架的布置特点和方案比选予以了介绍，重点探究了常用的下部混凝土框架-上部钢框架的设计方案。

关键词：煤气化框架;布置特点;结构方案

煤气化属于热化学过程，主要以煤或煤焦作为原料，以水蒸气、氧气（空气、纯氧或富氧） 或氢气等作为气化剂;是在高温状态下，将煤或煤焦中所含的可燃部分通过一系列化学反应转化为下游原料或气体燃料的过程。在煤气化单元中，煤气化框架发挥着不可替代的作用，其体量大、设备多、设备重、设计复杂;因此，结构专业与上游专业紧密配合，做好气化框架的结构设计是气化项目的关键点。

1.布置特点

某项目粉煤灰气化框架基础设计阶段设备布置图如图1和图2所示。该框架平面尺寸52.4mX32.0m，采用钢和混凝土的混合结构，37.0m以下为钢支撑钢筋混凝土框架，37.0m以上为钢支撑箱型柱钢框架;主体结构总高度76.0m，局部支架伸至88.0m。底部两层（8.0m、17.0m）南侧设有44.0mX15.0mX17.0m（高）钢结构平台。本气化框架布置特点如下：

跨度大：除楼梯间/电梯间外，主体框架X向柱距11m，Y向柱距10m/12m;

体量大：共10个主要层，1～5层为混凝土，6～10层为钢结构;除基础承台外的总质量约3.2万吨;

层高高：大部分层高为6～8m，局部9m，底层（含埋入土中部分）接近11m;

设备多且重：共有设备109台，其中地面29台，框架上80台。框架上操作重超过80t的设备共18台，重量最大的单台设备为气化炉，操作重约438吨。按楼层计，37m层设備总重约1700t，76m层设备总重约650t。此外，本单元还有捞渣机、破渣机、风机、泵等动设备。

各专业交叉面多：本气化框架有多根管径大于等于DN800的大管道，另有大量DN300～600的管道，以上管道的相应支架均需在较大荷载点处考虑次梁布置，并兼顾开孔及设备支座需求;同时，电仪桥架、管道、设备、通道的相对位置也需要各专业不断协调，最终在结构专业的参与下形成合理布置;另须注意，可适当提高各层周边框架梁的刚度（加大截面），这样可提高框架的抗扭刚度，有利于抗震;另外，出框架的管道在水平和竖直方向大多需要在周边框架梁上设各类支架，而施工时由于各种原因可能存在现场修改，因此增加周边框架梁的截面也有利于承受管道支架荷载。

2.主体结构方案

2.1桩基方案

根据地勘报告并结合项目实际情况，选用旋挖灌注桩，桩径800mm，主体结构桩长26.6m，持力层为强风化砂岩，单桩竖向极限承载力特征值3750kN。方案比选时，有如下三种备选：

a） 整体做一块大筏板，设计简单，但过于浪费，故未采用;

b） 结合地面设备布置，做多个4-6柱筏板，由于单跨多柱筏板的抗弯刚度优于单柱承台，另外出桩位图时地面设备基础布置并未完全确定，此方案可为上游专业的调整预留空间;

c） 主体单柱承台+楼/电梯间处局部双柱承台+双向承台联系梁;考虑到本项目区域土质情况，本方案相对最经济，最终采用此方案。对于不同土质的项目，须根据实际情况确定。

2.2上部结构方案

对于粉煤灰气化炉的气化框架，参考既往项目及考虑到便于设备吊装，通常情况下选用下部钢支撑-混凝土框架，上部钢支撑-箱型柱框架。该结构体系具有双重抗侧力结构体系，具备两道抗震防线，抗震性能较强;且在同时采用本文第3节中的细节方案时，结构整体性较好。本结构型式同样具有易于满足工艺布置及操作检修的优点，只是局部有支撑处需要与管道、设备等专业持续沟通，在3D模型中反复比对，避免与管道、设备碰撞或阻碍通道。此处须注意，气化框架柱距、层高较大，故柱间支撑计算长度大;且很少设置十字交叉撑，一般设置人字撑或V型撑，故柱间支撑均按压杆考虑;另外多数设备自重大，所以柱间支撑的截面一般较大，钢材牌号较高。通过比选，排除其它结构型式，采用本方案。

3.细节方案

3.1变截面混凝土柱

本气化框架抗震设防类别为乙类，下部混凝土框架抗震等级为一级，混凝土柱轴压比限值0.65。考虑满足底层柱轴压比要求及上层柱截面可适当减小，主体框架混凝土柱可采用变截面，1-2层1.3m×1.3m～1.8m×1.8m，3-5层1.3m×1.3m～1.6m×1.6m。柱截面变化率不大，与框架梁高度之比Δ/hb≤1/6，柱中纵向钢筋在变截面处可以根据G101图集采用弯折通过，降低施工难度，同时可降低3-5层用钢量。

3.2混凝土柱中纵向钢筋与箱型柱的连接

采用在箱型柱上预焊可焊接套筒的方式，套筒抗拉强度不低于与其连接的钢筋抗拉强度标准值的1.1倍，套筒与钢构件应在工厂完成等强焊接。注意套筒与箱型柱焊接前，须在套筒内拧入一段短钢筋;套筒焊接完成后将其拧出，避免现场施工时因焊接套筒出现变形导致钢筋无法拧入。

3.3组合楼板

根据上游专业要求，本气化框架有多层设置防尘楼面板，须做封闭楼板。既往项目均采用组合楼板（非组合效应型），本次方案比选时，由于气化框架的工艺介质腐蚀性强度等级不高，且并没有冲洗楼面的需求，故花纹钢板楼面/复合钢格栅板楼面也纳入选项。最终考虑到组合楼板可提高结构的整体刚度，提高钢梁稳定性，抗震性能好且防火防腐性能强，仍采用组合楼板（非组合效应型）的方案。后续项目中会对采用花纹钢板/复合钢格栅板方案进行更具体的研究。

3.4箱型柱与混凝土柱连接处构造

3.4.1采用图集16G519第39页外包式刚性柱脚的做法，此方案带来的整体施工较简单，但结构整体性不如下述方案。

3.4.2下部混凝土柱，上部箱型柱，中间两层采用《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ 99-2015）第8.4.8条的钢骨混凝土柱做法作为过渡，即箱型柱和其底部十字柱外包混凝土。此方案施工较复杂，并会使混凝土梁需要与箱型柱连接。本项目抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度0.15g，场地类别Ⅳ类，根据抗震规范，抗震构造措施应提高一级考虑。中间两层采用钢骨混凝土的构造，可增加结构的整体性和刚度，有利于力的传递，同时可避免地震工况下过大的位移。通过比选，采用本方案。

3.5伸缩缝

本气化框架无围护，属于露天构筑物。根据《混凝土结构设计规范》第8.1.1条，露天现浇钢筋混凝土框架结构的最大伸缩缝间距为35m。参考既往项目，气化框架单塔平面尺寸一般约50m×40m，超过该条限值。根据该规范8.1.3条，满足一定条件时伸缩缝间距可适当增大;参考8.1.3条文说明及《混凝土结构裂缝预防与修复》，板内钢筋选用螺纹钢而非光圆钢筋且全部拉通配置，间距不大于150mm;梁按计算结果设置顶部钢筋，按规范设置腰筋。在此措施下，最大伸缩缝间距可增大;结合工艺布置需要，最终平面尺寸确定为52.4m×32.0m。

4.施工性

根据主体结构方案，上部为钢框架，南侧部分钢梁为后安装，与全混凝土框架相比更便于大件设备吊装就位且工期较短。混凝土柱中纵向钢筋与箱型柱的连接处，未选用钢筋与箱型柱直接焊接或钢筋穿过箱型柱的方案，相对利于施工。箱型柱与混凝土柱连接处采用两层钢骨混凝土的构造措施，属于高层建筑的常规做法，其施工难度高于外包式刚性柱脚。

5.经济性

在符合规范要求、满足安全性和功能性的前提下，降低工程难度、缩短施工周期以最终降低工程造价，是每一次设计时都需要考虑的因素。这不仅是将结构设计与现场实际结合的基本要求，更是一名结构工程师应该努力追求的方向。

6.总结

综上，气化框架作为煤化工项目最重要的单体，其体量大、设备多、设备重、结构设计关键点较多，在设计的各个阶段都须认真对待。本文讨论了实践中在方案阶段进行的部分比选，希望尽可能考虑周到;但一定仍存在合理的优化空间，需要在后续设计阶段以及后续项目中积累经验并加以实践。

参考文献：

[1]赵新民.大型煤气化装置主要设备的安装优化[J].石油化工建设，2018，3（6）：92-93.

[2]赖德海.粉煤气化设备布置及管道设计浅谈[J].科技风，2018，6（22）：107-108.

[3]徐至鈞.混凝土结构裂缝预防与修复.2010：172-175.