STAAD.PRO在667撬块设计中的应用

【摘要】对STAAD.PRO软件在667项目的工程撬装模块在设计阶段的应用进行了探讨。通过STAAD.PRO软件的可视化操作平台，对667项目的所有工程撬装模块进行建模、加载、计算和分析，通过计算得出工程撬装模块的质量和质心位置，并根据规范对撬块进行整体强度校核，从而对撬块的吊点布置及其吊装过程起到实际的指导作用

【关键词】STAAD.PRO、撬块、计算分析、吊装、吊点位置

1 工程撬装模块概述

橇装模块化、标准化设计的主要思路是将结构先进，性能可靠的阀件、工艺设备及控制仪表集成在一个橇座上，在工厂加工、组装完成后成为一套装置，站场施工只需完成橇与橇间的管道连接和橇与站场外接管道的连接。

在20世纪60、70年代国外已有相当多的国家开始应用，特别是美、英等国家的石油公司所用的各种油气田集输及处理装置和设备，基本都采用了整体预制的成套橇装模块化设计。

橇装模块化、标准化设计相对传统设计的经济、社会效益显著，以其可实现工厂预制化、易搬迁，方便使用、能迅速、准确的安装到位的特点，在油气田的建设中，已得到了广泛应用。

2 667项目概述

巴基斯坦667项目是一座处理能力为 650 万m3/天 的天然气处理厂。该天然气处理厂包含脱硫装置、液化石油气装置、凝析油稳定装置、发电机组、天然气销售计量撬、热油系统及其他相关设施等单元；这些单元的主要装置及设备全部采用了整体预制的成套橇装模块化设计。

项目建设场地，基本风速45 m/s，地震基本参数：2A区、z=0.15 （美标标准）。所有667项目的工程撬装模块均以《美国钢结构设计规范》 （AISC 360）、《美国建筑荷载规范》（ASCE 7）等规范为基准进行结构设计，并采用STAAD.PRO软件进行建模、加载、计算和分析，最终通过了业主组织的第三方审查。

图1 667项目部分撬块的三维视图

3 STAAD.PRO软件简介

STAAD.PRO （Structural Analysis And Design 结构分析和设计） 是美国 BENTLEY 公司在收购 REI（ Research Engineering International）后，在原有软件基础上升级推出的一款结构工程分析软件， 已广泛应用于工业厂房、设备与管道平台及架构、高耸结构、大跨结构、海洋工程、高层建筑、隧道、桥梁和特种结构的结构计算及分析，是目前国际上结构设计领域里得到广泛认可的通用受力分析与结构设计工具。

4 STAAD.PRO在667撬装模块设计中的应用

撬装模块的种类繁多，样式多变。无论是单个设备的橇块，还是成套工艺流程的多层橇块，甚至整个处理装置组块都可以称之为撬装工程模块，简称撬块。

在设计过程中，根据工程模块的功能分区及使用要求，撬块上设备管道、电气和仪表等专业的布置都会发生变化，在设计过程中经常会发生修改，因此整个撬块的重量和重心位置经常会发生变化，撬块吊点的位置就必须做出相应的修改，使吊点与重心位置处在同一竖直位置，进而保证结构不会发生倾覆。

4.1 结构建模

根据撬块的功能分区及使用要求进行初步的结构布置，先在模块的布置撬的框架梁、柱，然后根据荷载的分布和大小布置主梁和次梁，形成结构布置图，并以此在STAAD.PRO 程序中建立结构模型，指定构件属性。在布置的过程中一定要分清主梁和次梁的关系，尽量保证荷载的传递方式最简便，传递路径最短。

4.2 按照工程实际情况，指定基本荷载工况

对于撬块的正常使用工况，需考虑恒载（撬装模块结构自身的质量，设备、容器、管道和阀门、电气和仪表的质量以及操作平台、楼梯、栏杆等附属结构的质量）、活荷载（设备、容器、管道和阀门中充液的质量，不同功能分区的楼面活荷载）和环境荷载（风荷载，地震荷载）的作用。

计算撬块的吊装工况时，仅考虑恒（包括撬装模块结构自身的质量，设备、容器、管道和阀门、电气和仪表的质量以及操作平台、楼梯、栏杆等附属结构的质量）。

图2 STAAD.PRO程序中 某双层撬块在正常工作状态下的模型

4.3 定义特殊杆件，对铰接杆件进行约束释放（如将模块中布置的次梁释放其梁端的负弯矩），将吊索设置为只拉杆件。

4.4 吊装工况下，可根据撬块的结构布置和吊装重量，以及吊装机具的吊装能力（额定载荷、吊点高度和工作半径），测算吊点的数量并合理布置吊点的位置。对于一般的撬装工程模块宜布置四个吊点。吊点的位置一般设置在模块的四个角点。对于布置有重型设备或容器的模块，吊点的位置可移至设备或容器下方支撑梁的端头，这样可使其荷载直接传至吊线，从而大大控制平面框架中钢结构梁的截面尺寸，节约工程造价。

5 结构计算及构件校核

5.1 参数设置

在STAAD.PRO程序中设置材料参数，如材料的密度、弹性模量、泊松比等；设定检验规范，定义分析类型（吊装工况可按静态分析进行处理），执行计算分析程序。

5.2 在撬块的吊装工况模型里，可根据支座反力计算重心水平位置，依照重心调整吊点的位置，使支座水力控制在0.5KN以下（在吊装的过程中满足拦风绳控制要求）。吊点调整好后，再检查构件计算结果，对于构件屈强比超过限值（大于或等于0.8，本项目业主招标书要求屈强比不超过0.8）的构件，应先分析其所受荷载及杆件定义是否合理，并在确认其合理性的基础上调整杆件的截面或（和）材料特性。

5.3 重复进行上述步骤，直至吊点与重心处于同一竖直位置，且所有杆件均满足规范要求的限值条件。

通过上述步骤，即可完成撬装模块在正常使用工况及吊装工况下的计算，并得到所需的相关数据，如所有结构杆件的应力和屈强比及吊装工况下的质量和重心位置。

6 结语

综上所述，作者认为结构工程师在STAAD.PRO软件的帮助下，能够高效地完成撬装工程模块的计算与分析，特别是撬块在吊装工况下的计算与分析，从而指导实际工程中撬块的设计、撬块的吊点布置及其吊装过程。

参 考 文 献：

[1]BENTLEY软件 （北京）有限公司 STAAD分析图形环境中文版手册 2008年1月

[2] BENTLEY软件 （北京）有限公司 STAAD技术参考手册 2011年3月

[3]AISC C ASD 89 American Institute of Steel Construction