斜支撑对于结构稳定性的作用

摘要:依托东方气田终端二期脱碳系统框架整改和校核项目,文章对脱碳框架结构在柱间增加斜支撑的整改方案进行了进一步的研究,准确的模拟结构模型,并进行了静力和地震分析,比较了原结构框架和增加斜支撑后的模型计算分析结果。文章最后得出结论,斜支撑对于减小整个结构框架的自振周期,结构整体稳定性都起着很大的作用。

关键词:斜支撑;结构稳定性;位移;静力分析;地震分析;自振频率

中图分类号:TU323文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)04-0134-03

中海石油(中国)有限公司湛江分公司东方气田作业区东方气田终端的脱碳系统框架需要进行全面整改,并对整改后的脱碳框架进行结构整体校核。依托该项目,我们对结构部分的加强措施(即在柱间增加斜支撑),进行了进一步的研究。本文通过对原脱碳框架模型与加斜支撑后的模型分别做整体的静力分析和地震分析的对比分析,详细地论述了在柱间增加斜支撑对系统框架的整体稳定性的影响。

一、计算条件

东方气田终端二期脱碳系统装置位于海南省东方市。东方终端二期脱碳系统结构框架为长32米、宽16.427米、高6.7米、22腿柱的结构框架,其主要设备在基础地面和二层平台上,管线主要分布于基础地面、二层平台和夹层上。

本分析使用的计算条件取自于东方终端二期脱碳系统装置的详细设计资料和改造资料。计算使用的材料性能同于原设计的材料性能,即为低强度钢235MPa。总的框架荷载为475吨。计算采用的工作寿命为50年。基本风压为Wo=0.85(kN/m2),使用米制-kN的国际单位制。详细的工程地质资料见《东方1-1气田陆上终端岩土工程勘察报告》中国化学工程南京岩土工程公司(2001年3月)。

使用SACS程序(由美国EDI公司开发)进行结构的总体分析。坐标系统和环境荷载作用的方向如图1所示:

脱碳框架结构被模拟为三维框架,模型如图2所示:

柱基础模拟为全约束,二层平台和夹层处取主梁为固接,次梁为铰接。

二、静力分析

(一)概述

静力分析是在设计标准环境力和生产荷载作用下,脱碳系统框架结构强度校核和基础能力校核。在静力分析中,环境荷载、永久荷载和活荷载按照(GB50009-2001)标准(建筑结构荷载规范)进行组合,永久荷载分项系数为1.35,活荷载分项系数为1.4,组合系数为0.7,风荷载组合系数为0.6。

(二)分析结果

计算分析结果表明所有杆件强度和整移都满足钢结构设计规范要求。

其中柱顶四个顶点的最大位移见表1:

在柱间增加斜支撑,添加斜支撑后,结构的传力方式发生了变化,从框架结构变为框架加桁架筒体结构。增加斜支撑后的三位模型图如图3所示:

模型中所加的斜支撑为普通L100X100X6的角钢,在1～6轴柱子之间增加斜支撑,具体方案如图4所示:

在A～C轴柱子之间,因为要考虑留有过道,我们采取在局部增加斜支撑的方法,具体方案如图5所示:

增加斜支撑后的柱顶四个角点的最大位移见表2:

对比分析结果,沿X轴方向:

沿Y轴方向:

以上位移对比结果显示,在沿X轴方向,因为只在局部加比较小的斜支撑,位移改变情况不是太大;而在沿Y轴方向,六个轴面整体加斜支撑的情况下,位移变化非常大。

由分析结果可以看出,增加斜支撑对框架的整体稳定性的作用是很大的。

三、地震分析

根据《东方1-1气田陆上终端岩土工程勘察报告》中国化学工程南京岩土工程公司2001年3月,建筑场地类别为:Ⅱ类,工程建筑场地地震烈度为6度,本工程建、构筑物按7度取,特征周期值为0.35秒,设计基本地震加速度值为0.1g,地震谱参考(GB 50011-2001)建筑抗震设计规范5.1.5。工程所有基础均按土层均匀,地基承载力特征值为220kPa。

根据(GB 50011-2001),使用响应谱方法进行结构框架地震分析。使用的结构阻尼比为5%。

框架自重荷载分项系数为1.2,水平地震荷载分项系数取1.3。

仅考虑水平方向地震作用,X、Y方向地震独立作用,分两次进行校核。

为了得到平台的动力特性,计算了前30阶振型。自振频率和一阶振型如下所示:

1.加斜支撑前的情况:

一阶振型:

2.加斜支撑后的情况:

一阶振型:

位移:结构主框架柱顶在四个顶点处的最大位移如下表所示:

比较分析结果,沿X轴方向:

沿Y轴方向:

比较分析结果,我们可以很明显的看出,通过添加支撑结构,可以有效减小框架结构在地震作用下的反应,当增加了斜支撑结构后,结构在地震作用下的位移明显减小。

综合以上分析,在柱间增加斜支撑后,结构的传力方式发生了变化,从框架结构变为框架加桁架筒体结构,结构框架的自振周期减小,在极端环境荷载和地震的作用下,沿水平方向的位移减小很大,结构整体稳定性明显得到了加强。

四、分析结论

对于框架结构,在柱间增加斜支撑后,结构的传力方式发生了变化,从框架结构变为框架加桁架筒体结构,结构整体稳定性明显得到了加强。

在钢结构设计中,对于跨度比较大的结构,我们可以通过加斜支撑的方法来提高结构整体的刚度,这样既可以节省钢材的使用量,又可以节约成本。

参考文献

[1]建筑抗震设计规范(GB 50011-2001)[S].

[2]建筑结构荷载规范(GB 50009-2001)[S].

[3]钢结构设计规范(GB 50017-2003)[S].

[4]刘昭培,张韫美.结构力学[M].天津大学出版社,2000.

[5]贾启芬,刘习军.工程力学[M].天津大学出版社,1999..

[6]王燕群,赵志岗,亢一澜.材料力学[M].天津大学出版社,2001.

作者简介:钟芳(1975-),女,广东梅州人,湛江南海西部石油勘察设计有限公司助理工程师,研究方向:海工结构设计和研发;王文龙(1983-),男,河南兰考人,湛江南海西部石油勘察设计有限公司助理工程师,研究方向:结构设计和研发。