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摘要：在石油化工装置中环形混凝土框架是经常应用的一种框架结构，设计方法多参考《石油化工塔型设备基础设计规范》的平面计算方法，也可用空间有限元方法进行计算。本文分别简要介绍了这两种计算方法，再利用工程实例比较了采用平面计算方法和采用STAAD.PRO的空间有限元法计算的梁柱内力，分析这两种计算方法的适用性，为今后设计相关结构做参考。
关键词：环形混凝土框架；有限元；反弯点法；RFCAD；STAAD.PRO
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
1 绪言
环形框架的上部支承结构一般为钢筋混凝土圆形环梁，支承在有4、6、8根等距离布置的立柱上。根据结构力学一般原理，可简化为平面结构体系进行内力近似计算。环形框架实际上是一个由环梁、立柱和基础各部分互相联结成一个整体的空间框架，以便承受塔型设备来自各个方向可能出现的外荷载（垂直荷载、水平力和弯矩）。因此，在满足荷载传递的条件下，根据环梁、柱各部分受力状态的特点，设法把空间的环形框架简化分解为平面结构体系，这是进行结构近似分析常采用的一种方法。
环形构架的近似计算，就是将作用在构架上的垂直荷载和弯矩首先由支承环梁来承担。作用于环梁上的荷载有均布荷载q（环梁自重）和上部塔设备传来的荷载（垂直力和弯矩）。计算支承柱时，首先考虑环梁和柱顶的节点是刚接的，计算按环梁和柱节点处的内力平衡求得柱端内力（即柱端弯矩应与梁端弯矩、扭矩互相平衡）。支柱的轴向力由环梁自重、塔设备总重及风荷载与地震作用产生的轴力所组成；柱端弯矩由水平荷载作用产生，采用反弯点近似法计算。各柱承受的轴力按荷载方位图进行分配、作用于柱子上的风力应按两个不同的方向进行计算，也平均分配于各柱，并简化为节点荷载。这就是环形框架的近似计算的基本假定。
环形框架的有限元计算，是利用有限元计算理论中的线单元（可承受轴力、剪力和弯矩）建模，把环梁分成多段直梁进行简化计算，两种方法都是近似计算，但各有所长，平面方法适合手算，概念清楚，有限元适合自动计算，现应用普遍。
2.实际工程应用两种计算方法的结果比较
实际工程中，作用在构架顶部的既有竖向力，也有水平力和弯矩作用，构架内力分析比较复杂。本文采用平面计算方法编制的程序RFCAD和空间有限元计算方法建立相同的模型，进行分析比较。
计算模型：四层环形框架，各层高见下图。一、二、三层梁截面为1000mmX800mm，四层梁截面为1500mmX1000mm，柱截面为1200mmX1200mm，40个螺栓沿圆周均布。顶层设备风荷载Fx=360kN，弯矩Mw＝10314kN*m，附加弯矩Mf＝4230kN*m，水平推力Fx= 470kN。
图2.1 计算模型
(1)底层柱计算比较
表2.1底层柱内力
分析：通过上表可以看出，180°方位的柱采用平面方法计算偏安全，即径向配筋安全, 90°方位的柱StaadPro比RFCAD計算要偏大20％，但一般都是构造配筋，这种偏差没有影响。
(2)顶层环梁计算比较
表2.2 环梁支座处内力
表2.3 环梁跨中内力
表2.4 环梁最大扭矩处内力
分析：由以上对比可以看出，采用RFCAD计算的环梁偏于安全，平面计算方法是把环梁简化成梁端固接梁计算，有限元方法是作为连续环梁计算。
(3)中间层环梁计算比较：
表2.5 环梁最大弯矩处内力
表2.6 环梁最大扭矩处内力
分析：由于中间层两种计算方法的传力模式有较大不同，平面计算方法是根据反弯点法计算柱端弯矩，然后根据节点平衡计算梁端弯矩，有限元是根据单元位移协调解方程，两者结果有较大差异，但一般中间层环梁不受较大的外荷载，采用构造配筋。
3.结语
由以上对比分析可知，采用平面计算方法计算所得柱的环向配筋偏于安全，轴向配筋比空间计算偏小20％，一般为配合顶层环梁宽度，柱截面较大，配筋为构造配筋，没有影响。顶层环梁抗弯、抗扭和抗剪平面计算方法偏于安全。中间层环梁平面计算扭矩较空间计算的大。
4.参考文献
1） 石油化工塔型设备基础设计规范，中国石化出版社，2009
2） 徐至钧，高塔基础设计与计算，中国石化出版社，2002
3） 实用建筑结构静力计算手册，机械工业工业出版社，2009
关键词：环形混凝土框架；有限元；反弯点法；RFCAD；STAAD.PRO
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
1 绪言
环形框架的上部支承结构一般为钢筋混凝土圆形环梁，支承在有4、6、8根等距离布置的立柱上。根据结构力学一般原理，可简化为平面结构体系进行内力近似计算。环形框架实际上是一个由环梁、立柱和基础各部分互相联结成一个整体的空间框架，以便承受塔型设备来自各个方向可能出现的外荷载（垂直荷载、水平力和弯矩）。因此，在满足荷载传递的条件下，根据环梁、柱各部分受力状态的特点，设法把空间的环形框架简化分解为平面结构体系，这是进行结构近似分析常采用的一种方法。
环形构架的近似计算，就是将作用在构架上的垂直荷载和弯矩首先由支承环梁来承担。作用于环梁上的荷载有均布荷载q（环梁自重）和上部塔设备传来的荷载（垂直力和弯矩）。计算支承柱时，首先考虑环梁和柱顶的节点是刚接的，计算按环梁和柱节点处的内力平衡求得柱端内力（即柱端弯矩应与梁端弯矩、扭矩互相平衡）。支柱的轴向力由环梁自重、塔设备总重及风荷载与地震作用产生的轴力所组成；柱端弯矩由水平荷载作用产生，采用反弯点近似法计算。各柱承受的轴力按荷载方位图进行分配、作用于柱子上的风力应按两个不同的方向进行计算，也平均分配于各柱，并简化为节点荷载。这就是环形框架的近似计算的基本假定。
环形框架的有限元计算，是利用有限元计算理论中的线单元（可承受轴力、剪力和弯矩）建模，把环梁分成多段直梁进行简化计算，两种方法都是近似计算，但各有所长，平面方法适合手算，概念清楚，有限元适合自动计算，现应用普遍。
2.实际工程应用两种计算方法的结果比较
实际工程中，作用在构架顶部的既有竖向力，也有水平力和弯矩作用，构架内力分析比较复杂。本文采用平面计算方法编制的程序RFCAD和空间有限元计算方法建立相同的模型，进行分析比较。
计算模型：四层环形框架，各层高见下图。一、二、三层梁截面为1000mmX800mm，四层梁截面为1500mmX1000mm，柱截面为1200mmX1200mm，40个螺栓沿圆周均布。顶层设备风荷载Fx=360kN，弯矩Mw＝10314kN*m，附加弯矩Mf＝4230kN*m，水平推力Fx= 470kN。
图2.1 计算模型
(1)底层柱计算比较
表2.1底层柱内力
分析：通过上表可以看出，180°方位的柱采用平面方法计算偏安全，即径向配筋安全, 90°方位的柱StaadPro比RFCAD計算要偏大20％，但一般都是构造配筋，这种偏差没有影响。
(2)顶层环梁计算比较
表2.2 环梁支座处内力
表2.3 环梁跨中内力
表2.4 环梁最大扭矩处内力
分析：由以上对比可以看出，采用RFCAD计算的环梁偏于安全，平面计算方法是把环梁简化成梁端固接梁计算，有限元方法是作为连续环梁计算。
(3)中间层环梁计算比较：
表2.5 环梁最大弯矩处内力
表2.6 环梁最大扭矩处内力
分析：由于中间层两种计算方法的传力模式有较大不同，平面计算方法是根据反弯点法计算柱端弯矩，然后根据节点平衡计算梁端弯矩，有限元是根据单元位移协调解方程，两者结果有较大差异，但一般中间层环梁不受较大的外荷载，采用构造配筋。
3.结语
由以上对比分析可知，采用平面计算方法计算所得柱的环向配筋偏于安全，轴向配筋比空间计算偏小20％，一般为配合顶层环梁宽度，柱截面较大，配筋为构造配筋，没有影响。顶层环梁抗弯、抗扭和抗剪平面计算方法偏于安全。中间层环梁平面计算扭矩较空间计算的大。
4.参考文献
1） 石油化工塔型设备基础设计规范，中国石化出版社，2009
2） 徐至钧，高塔基础设计与计算，中国石化出版社，2002
3） 实用建筑结构静力计算手册，机械工业工业出版社，2009