浅谈石油化工塔型设备基础的结构设计及设计要点

浅谈石油化工塔型设备基础的结构设计及设计要点

白晔

中石油吉林化工工程有限公司 132002

摘要：塔式设备在石油、化工等行业中占有很大的比重，塔式设备包括设备本体、附属构筑物和支撑塔式设备的地基。其中辅助结构包括操作平台、扶手、梯子等。塔基支撑塔式设备的受力分为竖向荷载和横向荷载两种。因此，必须采用合理的结构设计，保证塔基的坚固、适用、经济、合理。塔基的设计要考虑到风荷载和地震效应，在进行塔基结构设计时，必须清楚塔基上的载荷。因此本文主要对石油化工塔形设备的相关基础结构设计要求和要点等进行简单的介绍，希望能够为行业内的相关人员提供一定的参考。

关键词：塔型设备；附属构筑物；结构设计；要点；参考

引言：塔形设备基础结构是一种较为重要的高耸建筑，在石油化工等行业都有应用。按生产工艺分为吸收塔、裂解塔、热再生塔、蒸发塔等。从受力上看，这种结构具有较高的挠度，而且有一定的横向干扰，其干扰形式为风荷载和地震作用。由于受以上两种水平作用力的影响，塔身结构的地基就成了塔的关键。为保证该塔的安全运行，既要保证该塔的设计工作正常进行，又要保证该塔的设计与其紧密相连，并与之相适应。所以，结构设计师必须对相关的知识有足够的了解。

1.石油化工塔形设备概述

石油化工塔型装置是石化工业中经常使用的一种装置，其对工艺的生产能力、产品质量、能耗、原料消耗、环保等都有很大的影响。根据统计，石化行业的能源消耗在整个行业的能源消耗中占有相当大的比重，60%以上的能源都被用在了蒸馏装置上。化工、石化项目总投资约占总投资30%~40%。塔式设备的分离效率，是产品纯度，产品回收率，工业过程的能源消耗。总体上可划分为：地面框架塔、底部框架塔、边框框架塔、排塔。最常用的是斜塔和斜塔。

塔式设备基础设计时，应先确定其荷载，塔基上的荷载可以分成两种：

永久性负荷与可变负荷：结构自重、各种管线及保温重、平台、栏杆、梯子重量等；可变荷载包括风荷载、平台活荷载、充水荷载等。在地震带的设计中，也要考虑到地震的影响。

在计算构件强度、稳定性、连接强度时，应考虑在承载力极限条件下的载荷作用。在极限载荷条件下，塔基应按正常运行、充水试压、停产检修和地震影响四种工况进行影响组合，并根据最不利的条件进行构件的设计。

在正常运行时，其荷载组合应包含塔体的永久荷载、塔体平台的活荷载、风荷载和塔身地基的自重；在充水试压时，荷载组合应该包含塔体的永久荷载、塔内加水塔的活荷载、塔体地基的自重；在停产维修条件下，其荷载组合应包含塔体永久荷载、塔体平台活荷载、风荷载和塔体地基的自重；地震荷载组合应包含塔体永久荷载、塔体平台活荷载、风荷载、地震荷载、塔身地基的自重等。

在进行塔式设备的结构和地基的设计时，需要考虑的问题有：（1）与大多数地基承载力的验算方法一样，计算塔基的承载力时，应按正常使用极限载荷作用下的标准组合。（2）在充水试压和正常工作条件下，塔基底部不能有零应力区，其他两种情况下则允许有零应力区，但必须保证零应力区不能超过地基底应力区的15%。（3）塔基础在设计时，应进行基础变形的计算，此时的荷载效应应为在正常使用极限条件下的准永久荷载，同时不用考虑地震和风荷载的影响。

2.高塔型设备所承受的荷载

在进行结构设计时，应充分考虑已有的荷载，其取值能否满足设计的要求，直接关系到结构设计的安全性和经济性。根据作用的方向和作用的持续时间，载荷可以分为：

2.1按照作用的方向来进行划分

（1）重力荷载，即垂直荷载，其主要原因是由于上部结构的自重，其主要表现形式有：设备自重、保温重、生产作业介质重、平台梯子重、充水水重、管道自重等。（2）横向载荷：包含了风荷载和地震作用。

2.2根据作用时间的持续性来进行分类

（1）永久负载：相关值在使用期间不会因时间而改变，而且与平均值相比，可以忽略不计的负荷，例如结构的重量和塔的自重。（2）可变载荷：在结构使用期间，其载荷会随时间而改变。但这些变化都可以忽略不计，比如平台的活荷载、风荷载和雪荷载。（3）意外载荷：这种情况在结构上是不会发生的，但如果负荷值很高，而且持续的时间很短，比如爆炸和地震。由于灌水试验的次数较少，所以不宜与设计的风荷载结合。

3.风荷载以及地震作用的含义

3.1风荷载

在露天的条件下，塔式设备会受到风的影响，会在两个不同的方向发生震动，首先，顺风会引起震动，震动的方向和风向都是一样的；第二类是横向风向的振动，其方向与风向垂直。第一类是一种常见的结构形式，而后者是由风引起的。在设计时，应充分考虑由风力引起的振动。

3.2地震作用

在计算地震作用的过程中，首先要了解结构的特点，了解结构的特点，了解结构的动力特性，重量，地基条件，设计强度，这些因素都是由这些因素决定的，然后再根据这些因素来决定。第二个问题是：模态分解反应谱，首先要确定各个模态的最大反应，然后再按照一定的方式进行组合。在塔式设备高度小于65 m时，其受力状况与单质点系统相近，为弯梁式结构，通常采用底部剪力法进行水平地震力计算。在不低于65 m的塔式装置的情况下，仍应使用振型分解反应谱方法进行水平地震作用力的计算。在研究塔式装置的地震反应时，可以忽略高模态，一般只考虑一阶和二阶模态。建筑的减振比以0.035为宜。由于塔式装置具有很高的挠性，因此其阻尼比一般的反应谱选取的要低一些。另外，在实际应用中，应根据实际情况及实际工程实践，对其进行适当的修正。在8、9度抗震设防时，塔基必须考虑竖向地震力的影响。然而，只需考虑上塔式装置在塔基顶端所受的垂直作用力。地基上部的竖向地震作用标准值为垂直最大地震影响因子α乘以重力荷载的代表性数值的75%。在横向地震影响因子中，垂直最大影响因子为65%。

3.3荷载组合

在塔基计算和设计中，必须考虑四种工作条件的影响因素。四种工作状态：正常工作状态、充水试压状态、停车检修工况、地震作用工况。

3.4地基以及基础

第一个问题，就是在计算塔基地基的承载力时，根据正常使用极限条件下的荷载效果标准来计算。第二个问题是，在正常工作状态下或者在充水压力下，地基上不能出现零应力；第三个条件，就是当塔基处于停工状态，或者是地震的情况下，地基底部会出现一个零应力区，但是零应力区的范围不能超过地基的15%。

4.构造的要求

4.1规定

塔基结构的二次灌浆可以选用比地基高一级的细石混凝土，也可以选用高强度的无收缩灌浆材料，其相关的厚度一般在30~50毫米之间。其次是确定地下水和土壤的腐蚀状况，确定建筑结构和结构构件的表面必须进行防腐处理，并按照相关的要求进行处理。

4.2圆柱式塔基础的配筋构造

柱形塔基的垂直钢筋比例不得超过0.01%，地脚螺栓的中心距边缘的间距必须是地脚螺栓的四倍以上，而且必须是150毫米以上，在进行埋设时，必须将地脚螺栓埋在圆柱形的钢筋网内。

4.3地脚螺栓的埋深要求

根据不同的螺栓类型，对地脚螺栓的埋入深度进行了分析，结果表明：（1）直钩螺栓的失效形式是混凝土开裂，锚杆的长度不宜少于25天。（2）在锚固长度为10 d的抓钩型螺栓，试验表明，在试验中，试验中存在拉拔现象，但混凝土未受损伤；所以，爪钩螺栓的锚定长度不宜少于15天。（3）锚板型螺栓的锚定深度为10 d，其极限抗拔力将超过螺栓的极限拉伸强度，因此，锚板型螺栓的锚定长度必须在15 d以上。

结束语

综上可知，本文对塔基设计中应注意的几个问题进行了详细的论述，并给出了相应的载荷组合。在进行塔式设备基础设计时，必须符合相关的规范要求。由于塔式设备的基本形式多种多样，因此在选用时必须综合考虑当地的地质情况，从而作出最佳的选择。

参考文献

[1]王崧懿. 浅谈石油化工塔型设备基础的结构设计及设计要点[J]. 当代化工研究, 2018.