炼油厂常减压塔基础加固设计

摘要：本文针对炼油厂常减压装置已到使用年限，工艺设备陈旧落后远不能满足生产企业及市场供给的要求急需更换新塔，但原有减压塔基础又不能满足结构设计和国家现行规范的要求，为保证装置能按时正常开工生产，设计者根据结构造型复杂、结构质量要求严格、安全性要求高、操作空间狭小等该特种结构的特点，结合工艺设备、场地条件、施工组织、施工周期、节能环保等各项要求，从安全、适用、经济、保证质量，制定出减压塔基础加固设计方案，实施后效果良好，满足了客户需求。

关键词：常减压塔基础；加固改造再利用；特种结构的加固设计

一、工程概况：中石油乌鲁木齐石油化工炼油厂常减压装置自1975年建成投产以来，至今已使用了近三十年，减压塔塔壁腐蚀较为严重，为保证装置安、稳、长、满、优运行，必须更换减压塔，因此塔基础就必须复核，以确定是否能够满足新装置的使用要求。

减压塔基础为六柱环形钢筋混凝土独立框架式塔基础，地上部分为二层，地下部分为倒T形环板式钢筋混凝土基础。按照工艺要求塔基础顶标高不变，新塔比旧塔增高了4米多，其荷重比旧塔也有所增加，原基础是1975年设计的，按当时国家现行规范其抗震设防烈度为7度，现根据国家现行规范（SH/T3147-2004）有关规定，该结构设计必须按抗震设防烈度不低于8度，设计基本地震加速度值不小于0.2g，第二组，进行复核和加固设计。

二、方案选择：减压塔作为常减压装置的主要塔器，其改造施工工期必须在规定的30天的检修期间内完成，才能保证装置的正常开工生产，因此，方案的选择必须要考虑到工艺设备、场地条件、施工组织、施工工期等各项要求，同时要做到安全、适用、经济、保证质量，制定出可行性加固设计方案。方案1：拆除旧减压塔基础，新建减压塔基础。方案2：对原减压塔基础进行加固。经各相关部门和专家反复讨论比较、征询论证后，上级领导最终决定采用方案2，即对原有常减压塔基础进行加固处理后重新再利用，这就对我们土建结构设计者提出了前所未有的挑战和考验。

三、复核塔基础：塔基础设计条件

3.1、荷载计算：3.1.1、 基本自振周期计算：

①、风荷载作用下的T1：根据（S/T3030-2009）：

框架式塔基础，壁厚d=21mm

T1=0.56+0.40×10-3h2/D0 塔高h=9.1+35.594=44.694m

D0=（4.234×7.617+6.442×27.977）/35.594=5.969m

T1=0.56+0.40×10-3×44.6942/5.969=0.694（s）

②、地震作用时，基本自振同期应乘以调整系数1.15

T1=1.15×0.694=0.798（s）

3.1.2、 风荷载的计算：根据（S/T3030-2009）沿塔型设备高度作用的风荷载标准值应按下式计算：

Wk=βzμsμzμrec（1+μe）（D0+2δz）W0 其中：μrce―重现期调整系数 取1.10

μe―塔型设备的风荷载扩大系数 取0.34 ， W0―基本风压标准值（kN/m2） 取0.60kN/m2

根据该减压塔的工艺特征将塔分为两段，即塔底到变截面处，变截面处到塔顶处，分别求出两段塔身处的Wk，从而求出作用在环形框架顶面处的风水平推力、风弯矩标准值。

3.1.3、水平地震作用：根据（SH/T3147-2004）可得：总高度H=35.594+7.9+1.2=44.694m

且为质量和刚度沿高度分布比较均匀结构，故可采用底部剪力法计算水平地震作用。

现将塔体分为5段，框架分为二层，于是简化为7个质点，每个质点的重力代表值为：G1=915kN G2=1250kN G3=1058kN G4=1066kN

G5=1066kN G6=925kN G7=350kN

结构自振周期T1=0.798s，8度多遇地震，第二组，Ⅱ类场地土 Tg=0.4s

amax=0.16 a1=（Tg/T）r n2amax=0.0664>0.2amax

Geq=0.85（G1+G2+G3+G4+G5+G6+G7）=5635.5（kN）

结构总水平地震作用标准值：FEK=a1Geq=0.0664×5635.5=374.2（kN）

各质点的水平地震作用标准值为：

F1=（G1Xh1/∑GiXhi）FEK =（915×5.6×374.2）/（915×5.6+1250×9.7+1058×17.9+066×24.5+1066×31.1+925×37.7+350×45.3）=13.12（kN）

同上得：F2=31.04kN F3=48.48kN F4=66.58kN

F5=84.8kN F6=89.27kN F7=40.59kN

3.1.4、竖向地震作用：aVMAX=0.65×0.16=0.104

Geq=0.75×∑GVi=0.75×6630=4972.5（kN）

FEVK=0.104×4972.5=517.14（kN）

FV1=（G1・h1/∑Gi・hi）FEVK=（915×5.6/146184.3）×517.14=18.13（kN）

FV2=42.89（kN）

3.2、荷载效应组合：根据（S/T3030-2009）相关条文先取塔基础结构重要性系数、荷载分项系数和可变荷载准永久值系数、地震作用的分项系数、可变荷载的组合系数。

3.3、基础底板验算：基底标高-2.300m，埋深2.5m，地基承载力特征值按350Kpa计算。分别计算以上五种工况下的塔基底板尺寸，通过计算塔基底板直径需D=12000mm，仅在停产检修工况时基础脱离基底，但满足规范对基础脱离的限制要求，其余工况均可满足，并对塔基础进行了抗倾覆、抗滑移等验算，均不满足塔基础规范要求。通过以上计算可知原7度抗震设防的圆环形底板，还是远不能满足设计要求，故需对原有基础进行加固，使之达到直径D=12000mm的整体式圆形厚板基础。

3.4、内力计算及截面设计：由荷载作用情况参见（S/T3030-2009）：附录三、四、五求出柱、环梁、底板的最不利内力组合，然后验算基础的柱、环梁截面尺寸是否满足。再根据塔基础可靠性鉴定报告及设计条件，经计算原有框架的柱、环梁截面尺寸均不满足设计要求。必须对环形框架柱、梁进行加固。

四、设计加固方案和主要构造作法及施工措施：混凝土结构加固设计的方法一般可采用：增大截面加固法、置换混凝土加固法、粘贴钢板加固法、外加预应力加固法、粘贴纤维复合材加固法、改变结构传力途径加固法、外粘型钢加固法、增设支点加固法、绕丝加固法、钢丝绳网片-聚合物砂浆外加层加固法等，结合本工况及施工工期短，不允许加大截面尺寸，故选择外粘型钢加固法，即在钢筋混凝土构件四周包以型钢的加固方法，它适用于使用上不允许增大混凝土截面尺寸，而又需要大幅度提高承载力的钢筋混凝土结构的加固。

4.1、主要构造作法：①、因环形基础不能满足设计要求，必须改造加固，为保证基础底板能与上部结构共同作用，必须保证基础底板具有足够的整体刚度，采用增大基底截面加固法，由于它具有工艺简单、使用经验丰富、受力可靠、加固费用低廉等优点，但采用增大基底截面加固法，由于受原构件应力、应变水平的影响，虽然不能简单地按现行国家标准（GB50010）进行计算，但该规范的基本假定具有普遍意义，仍应在加固设计计算中得到遵守，通过结构概念设计及反复复核后，将基础的倒T形的翼缘用静力爆破的方法剔除而不破坏基础环梁，然后重新绑扎焊接受力钢筋和构造筋，用C25混凝土整体现浇，，以保证原构件与新增部分的结合面能可靠地传力、协同地工作为目的，使之完全成为一个直径D=12000mm的整体式圆形厚板基础，与上部结构共同作用。

②、上部六柱环形框架结构，采用外粘型钢（角钢）加固法，以解决更换减压塔后需要大幅度提高截面承载能力和抗震能力的钢筋混凝土梁、柱结构的加固，采用改性环氧树脂胶粘剂为粘剂材料，并通过压力灌注工艺形成饱满而高强的胶层，从而使设计、计算所采用的整体截面基本假定，可以建立在可靠的基础上。为保证力的可靠传递，外粘角钢必须通长连续设置，中间不得断开；若角钢长度受限制，应通过焊接方法接长；角钢的上下两端必须与结构顶层构件和底部基础可靠地连接和锚固。为保证原有混凝土与外包角钢能共同工作，必须具有一定的整体性，应将原构件截面的混凝土外表面打磨平整，原构件截面的棱角打成半径r7mm的小圆角。外粘型钢的注胶必须在型钢构架焊接完成后进行。外粘型钢的胶缝厚度宜控制在3～5mm；局部允许有长度不大于300mm、厚度不大于8mm的胶缝，但不得出现在角钢端部600mm范围内。之后立即将角钢粘贴上，并且用夹具从两个方向将梁、柱四角加固紧，夹具间距不宜大于500mm，然后用扁钢箍板与角钢焊接，当有楼板时，附加的螺杆应穿过楼板，与另加的条形钢板焊接。必须分段交错施焊，箍板应在胶粘与加固角钢焊接。箍板截面不应小于40mm*4mm，其间距不应大于20r，且不应大于500mm；但在节点区其间距应适当加密。加固完成后，为了防腐蚀和防火，应在型钢表面喷抹厚度不小于25mm的高强度水泥砂浆作防护层。

4.2、主要施工措施和施工程序：⑴、常减压塔停工后即可开挖基础，进行准备工作。⑵、拆除上部旧塔体时下部基础可开孔埋药。⑶、待塔体拆除完毕，基础底板可爆破剔除，绑扎钢筋整体浇筑，同时，上部框架柱、梁可实施外粘型钢加固。⑷、可在混凝土中添加早强剂，以提高混凝土早期强度。⑸、增大基底截面加固法施工程序：①、根据设计要求专业静力爆破后，清理、修正原结构、构件并划线定位；②、安装新增钢筋并与原钢筋连接；③、界面处理；④、安装模板；⑤、浇筑混凝土；⑥、养护及拆模；⑦、施工质量检测。⑹、外粘型钢加固法施工程序：①、清理、修正原结构、构件并划线定位；②、制作型钢骨架；③、界面处理；④、型钢骨架安装及焊接；⑤、注胶施工；⑥、养护；⑦、施工质量检测；⑧防护面层施工。

五、结束语：炼油厂常减压减压塔基础按设计加固方案Ⅱ改造加固完成后正常运行至今，运行情况良好，其沉降量、倾斜等变形和稳定性均满足国家现行规范要求，这表明本改造工程通过可行性研究、施工措施、施工组织、投资等各方面的比较，实施的设计加固方案，做到了技术可靠、安全适用、经济合理、确保质量，节能环保，满足了用户要求。

参考文献

《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2006）

《石油化工塔型设备基础设计规范》（S/T3030-2009）

《石油化工构筑物抗震设计规范》（SH/T3147-2004）

《建筑结构加固工程施工质量验收规范》（GB50550-2010）

《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）

《钢结构设计规范》（GB50017-2003）