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【摘 要】 钢结构因具有自重轻、强度高、工业化程度高等优点，在工业建筑工程得到了广泛应用。本文通过对钢结构冷换框架设计的基本概念、设计原则和分析方法的总结，谈谈对钢结构冷换框架设计的理解。
【关键词】 冷换框架;设备梁;钢结构框架设计
1、钢结构冷换框架的基本概念
与传统的钢筋混凝土结构相比，钢结构体系具有横向刚度好，横梁高度小，自重轻且抗震性能好，刚结构拥有较大的内部空间，一般在工厂预制钢梁、钢柱，运输到施工现场再拼接成整体框架，因此施工周期短，环境污染也少。被广泛应用于工业厂房、操作平台的建设设计中，是一种比较经济合理、运用广泛的结构体系。钢结构框架中冷换框架是指用于支承冷却器、换热器、卧式容器以及其顶层设有空气冷却器的钢框架。框架中直接或间接支承设备的钢梁称为设备梁。
2、钢结构冷换框架的设计原则
2.1结构形式及一般要求
①冷换框架的结构布置应体型简单，质量和刚度对称均匀，各层抗侧力刚度中心与质心重合;避免平面和立面突变和形状不规则;对于刚度突变的楼层，应采取可靠的过渡加强措施。
②冷换框架可采用框架-支撑结构、框架结构或其他结构类型。在满足生产操作条件下，优先采用框架-支撑结构。
③冷换框架的柱网、层高、平台的梁板和斜撑布置及平台开洞等，除应满足工艺的要求外，尚宜满足管道、设备的安装、生产和检修要求。
④框架-支撑结构框架宜在两个方向分别布置支撑。支撑宜采用交叉支撑、人字形或V字形支撑。地震区框架不宜全部设置单方向受拉支撑，拉撑承担的水平力不应大于总侧力的75%。当钢框架只能采用单方向受拉撑时，应同时设置不同倾斜方向的两组斜杆，且每组中不同方向单斜杆的截面面积在水平方向的投影面积之差不得大于10%。支撑斜杆宜采用双轴对称截面。设防烈度为8度、9度时，中心支撑不得采用拉杆设计。
⑤平台上有设备、管道挡墩、支吊点等水平荷载作用时，该层应设置可靠的水平支撑系统;当冷换框架各榀框架侧向刚度相差较大、竖向支撑布置不规则时，宜在顶层、中间层设置水平支撑;平台铺板采用钢格栅板时，应在顶层并至少每隔一层设置水平支撑。
⑥结构布置宜根据设备布置的要求采用横向承重框架结构;当采用纵向承重框架结构时，应采取措施加强横向刚度。框架应确保非承重方向结构的整体刚度。
⑦框架的跨度和间距应用定位轴线标注;平面定位轴线应与柱的截面几何中心重合;上、下层柱截面的几何中心宜在同一垂线上;框架横梁及柱间纵梁的轴线宜与中心线相重合。
⑧框架各层平台四周和平台内务设备孔洞周边均应设置钢栏杆。当平台高度小于20m时，其栏杆高度应为1.05m;当平台高度大于20m时栏杆高度为1.20m。
2.2钢结构节点连接，可采用焊缝连接、高强度螺栓连接或部分焊接、部分高强度螺栓连接等方式;连接板应采用与构件强度相同等级的钢材。
2.3材料的选用
①型钢和钢板宜采用Q235、Q345钢，抗震结构和焊接结构不应采用A质量等级的钢材。钢材的屈服强度实测值与抗拉强度实测值的比值不应大于0.85;钢材应有明显的屈服台阶，且伸长率不应小于20%。
②选用焊条型号应与构件钢材强度等级相适应，当构件钢材为Q235，或Q345和Q235两种钢材相焊时，宜采用E43型焊条;当构件钢材为Q345时，宜采用E50型焊条。
③高强度螺栓应采用性能等级为8.8级和10.9级的高強度螺栓。
④地脚螺栓不宜采用A质量等级的钢材，宜采用未经冷拉的Q235或Q345钢。
⑤基础混凝土强度等级不应低于C25，垫层宜采用C10.
2.4荷载分类（永久荷载和可变荷载）
①永久荷载包括结构自重、设备及管道自重、设备及管道保温层重。
②可变荷载包括设备操作介质重，设备冲水水重，设备振动荷载，空冷器风机和电机的当量荷载，烟道等管道的支座、弹簧吊、挡墩及裙座的水平和竖向荷载，平台均布活荷载，风荷载。不考虑雪荷载影响。
2.5地震作用
①一般情况下，宜在框架的两个主轴方向分别计算水平地震作用并进行抗震验算，各方向的水平地震作用应由该方向抗側力构件承担;质量和刚度分布明显不对称的结构，应计入双向水平地震作用下的扭转影响;冷换框架的抗震计算，宜采用振型分解反应谱法，也可采用底部剪力法。
②采用底部剪力法计算时，突出构筑物顶面的小型结构，其地震作用效应宜乘以增大系数3，但增大部分不应往下传递。
③冷换框架设计应考虑设备水平地震产生的弯矩对设备梁及框架的影响。
3、钢结构冷换框架的设计方法
3.1一般规定
①冷换框架的结构安全等级为二级。结构设计使用年限为50年。
②框架结构构件，应满足各种荷载状态下的承载力要求;对直接承受动力荷载的结构，在计算强度和稳定性时，动力荷载应乘以动力系数;在计算变形时，动力荷载标准值不乘以动力系数;计算框架梁、柱时，可不考虑平台活荷载不利位置的影响;计算框架柱和基础是，可不考虑各层平台活荷载的折减;支撑轴线宜交汇于梁柱轴线的交点，当支撑轴线偏离梁柱轴线的交点不超过支撑构件宽度时，内力分析仍可按中心支撑框架进行，但应计入由于偏心产生的附加弯矩;框架梁应按受弯和压弯构件验算梁的强度和稳定。
③多层框架结构在风荷载作用下的顶点水平位移与总高度之比不宜大于1/300，层间相对位移与层高之比值不宜大于1/250;平台板挠度限值为L/150，平台次梁挠度限值为L/200，平台主梁挠度限值为L/250，设备梁挠度限值为L/350，框架梁、手电动葫芦的轨道梁挠度限值为L/400，单轨吊车梁挠度限值为L/500（L为构件计算跨度）。 ④平面外支撑计算长度均取其几何长度;平面内交叉支撑计算长度取0.5倍几何长度，其他支撑除底层取原几何长度外，其他层均取0.8倍几何长度。
⑤柱允许长细比为150，受拉水平、竖向支撑允许长细比为300，受压水平、竖向支撑允许长细比为200。
3.2抗震设计
①冷换框架抗震设计应符合丙类构筑物抗震设防要求。
②设防烈度为6度Ⅲ、Ⅳ类场地、7至9度时，框架应考虑水平地震作用，并应按框架两个主轴方向分别进行抗震验算;验算时可不考虑竖向地震作用。
③设防烈度为6度Ⅰ、Ⅱ类场地时，框架可不进行抗震验算。
④地震区支承主要设备的设备梁及其两端连接应满足抗震设防的要求。
⑤钢框架在多遇地震作用下阻尼比取0.04，在罕遇地震作用下取0.05。
⑥7度Ⅳ类场地、8度非Ⅰ类场地和9度时，梁柱连接处节点域范围内的柱腹板厚度不宜小于梁、柱截面高度之和的1/70;其他情况不小于1/90。
⑦钢结构构件连接应按地震组合内力进行弹性设计，并应进行极限承载力验算。
⑧计算地震作用时，正常操作时框架的重力荷载代表值应取永久荷载和可变重力荷载组合值之和。平台活荷载的组合值系数取0.5，设备及管线的介质荷载的组合值系数取1.0。
3.3荷载和地震作用效应组合
①冷换框架设计应按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载和地震作用效应组合，并应取各自最不利的效应组合进行设计。
②承载能力极限状态下，冷换框架应分别按正常操作、停产检修、冲水试压、地震作用四种工况进行荷载效应组合，取最不利情况进行构件承载力设计。
③冷换框架结构构件荷载和地震作用效应，应根据不同工况进行荷载效应组合并取其最不利者。
④钢框架正常使用极限状态，应验算正常操作荷载状态下钢梁的挠度、风荷载作用下框架顶点水平位移和层间相对位移。并验算挠度、水平位移时采用荷载的标准值组合。
3.4地基基础
①框架独立基础在停产检修时，基础底面与地基土之间零应力区面积不应超过基础底面面积的25%;其他荷载状态时，不超过15%。
②混凝土基础顶面高出设计地面不宜小于150mm，且基础顶面应设置二次灌浆层，待框架柱安装后填实;二次灌浆层宜采用无收缩水泥砂浆，强度等级比基础高一个等级的无收缩细石混凝土（厚度宜为50mm）或水泥基无收缩灌浆料（厚度宜为30mm）;地脚螺栓中心至短柱平面外边缘距离不应小于150mm，且不得小于4倍螺栓直径。柱脚底板边线到短柱顶面边缘的距离不宜小于70mm;基础短柱竖向钢筋直径不宜小于12mm，间距不宜大于300mm，且每边配筋率不小于0.05%;短柱竖向钢筋应锚入基础底板内不小于钢筋锚固长度;短柱箍筋直径不宜小于8mm，在地脚螺栓埋置长度内的间距，应采用100mm，其他部位200mm。
③基础底板内钢筋直径不宜小于12mm，间距不宜大于200mm，底板中受拉钢筋的配筋率不应小于0.15%。基础底板边缘高度不应小于250mm。基础底板下层受力钢筋保护层不应小于40mm，当无垫层时不应小于70mm。腐蚀环境应根据防腐设计要求确定受力钢筋保护层厚度。
4、钢结构冷换框架设计的几点体会
①目前钢结构设计多借助钢结构计算机软件进行结构受力计算，结构和构件的平面内强度及整体稳定计算可依靠程序自动完成。结构和构件的平面外强度及稳定计算，需要将整个结构按标高分解成多个不同布置形式的结构体系，在不同的水平荷载作用下进行计算。
②轴心受压构件和压弯构件局部稳定有两种方式：一是控制翼缘板自由外伸宽度与其厚度之比;二是控制腹板计算高度与其厚度之比。
③钢结构体系的稳定性研究中存在许多随机因素的影响，目前结构随机影响分析所处理的问题大部分局限于确定的结构参数、随机荷载输入这样一个格局范围，而在实际工程中，由于结构参数的不确定性，会引起结构响应的显著差异。
5、结语
钢结构冷换框架作为钢结构中一个非常常用的结构，在工业领域有着广泛的应用。但是根据地区的地质条件差异和运作设备的不同功能要求，冷换框架的具体设计方法也有着很大的差异，作为设计人必须理清条件要求，结合实际进行框架的设计，切不可生搬硬套。
参考文献：
1、石油化工鋼结构冷换框架设计规范SH/T3077-2012，中国石化出版社
2、钢结构设计规范GB50017-2003，中国计划出版社
【关键词】 冷换框架;设备梁;钢结构框架设计
1、钢结构冷换框架的基本概念
与传统的钢筋混凝土结构相比，钢结构体系具有横向刚度好，横梁高度小，自重轻且抗震性能好，刚结构拥有较大的内部空间，一般在工厂预制钢梁、钢柱，运输到施工现场再拼接成整体框架，因此施工周期短，环境污染也少。被广泛应用于工业厂房、操作平台的建设设计中，是一种比较经济合理、运用广泛的结构体系。钢结构框架中冷换框架是指用于支承冷却器、换热器、卧式容器以及其顶层设有空气冷却器的钢框架。框架中直接或间接支承设备的钢梁称为设备梁。
2、钢结构冷换框架的设计原则
2.1结构形式及一般要求
①冷换框架的结构布置应体型简单，质量和刚度对称均匀，各层抗侧力刚度中心与质心重合;避免平面和立面突变和形状不规则;对于刚度突变的楼层，应采取可靠的过渡加强措施。
②冷换框架可采用框架-支撑结构、框架结构或其他结构类型。在满足生产操作条件下，优先采用框架-支撑结构。
③冷换框架的柱网、层高、平台的梁板和斜撑布置及平台开洞等，除应满足工艺的要求外，尚宜满足管道、设备的安装、生产和检修要求。
④框架-支撑结构框架宜在两个方向分别布置支撑。支撑宜采用交叉支撑、人字形或V字形支撑。地震区框架不宜全部设置单方向受拉支撑，拉撑承担的水平力不应大于总侧力的75%。当钢框架只能采用单方向受拉撑时，应同时设置不同倾斜方向的两组斜杆，且每组中不同方向单斜杆的截面面积在水平方向的投影面积之差不得大于10%。支撑斜杆宜采用双轴对称截面。设防烈度为8度、9度时，中心支撑不得采用拉杆设计。
⑤平台上有设备、管道挡墩、支吊点等水平荷载作用时，该层应设置可靠的水平支撑系统;当冷换框架各榀框架侧向刚度相差较大、竖向支撑布置不规则时，宜在顶层、中间层设置水平支撑;平台铺板采用钢格栅板时，应在顶层并至少每隔一层设置水平支撑。
⑥结构布置宜根据设备布置的要求采用横向承重框架结构;当采用纵向承重框架结构时，应采取措施加强横向刚度。框架应确保非承重方向结构的整体刚度。
⑦框架的跨度和间距应用定位轴线标注;平面定位轴线应与柱的截面几何中心重合;上、下层柱截面的几何中心宜在同一垂线上;框架横梁及柱间纵梁的轴线宜与中心线相重合。
⑧框架各层平台四周和平台内务设备孔洞周边均应设置钢栏杆。当平台高度小于20m时，其栏杆高度应为1.05m;当平台高度大于20m时栏杆高度为1.20m。
2.2钢结构节点连接，可采用焊缝连接、高强度螺栓连接或部分焊接、部分高强度螺栓连接等方式;连接板应采用与构件强度相同等级的钢材。
2.3材料的选用
①型钢和钢板宜采用Q235、Q345钢，抗震结构和焊接结构不应采用A质量等级的钢材。钢材的屈服强度实测值与抗拉强度实测值的比值不应大于0.85;钢材应有明显的屈服台阶，且伸长率不应小于20%。
②选用焊条型号应与构件钢材强度等级相适应，当构件钢材为Q235，或Q345和Q235两种钢材相焊时，宜采用E43型焊条;当构件钢材为Q345时，宜采用E50型焊条。
③高强度螺栓应采用性能等级为8.8级和10.9级的高強度螺栓。
④地脚螺栓不宜采用A质量等级的钢材，宜采用未经冷拉的Q235或Q345钢。
⑤基础混凝土强度等级不应低于C25，垫层宜采用C10.
2.4荷载分类（永久荷载和可变荷载）
①永久荷载包括结构自重、设备及管道自重、设备及管道保温层重。
②可变荷载包括设备操作介质重，设备冲水水重，设备振动荷载，空冷器风机和电机的当量荷载，烟道等管道的支座、弹簧吊、挡墩及裙座的水平和竖向荷载，平台均布活荷载，风荷载。不考虑雪荷载影响。
2.5地震作用
①一般情况下，宜在框架的两个主轴方向分别计算水平地震作用并进行抗震验算，各方向的水平地震作用应由该方向抗側力构件承担;质量和刚度分布明显不对称的结构，应计入双向水平地震作用下的扭转影响;冷换框架的抗震计算，宜采用振型分解反应谱法，也可采用底部剪力法。
②采用底部剪力法计算时，突出构筑物顶面的小型结构，其地震作用效应宜乘以增大系数3，但增大部分不应往下传递。
③冷换框架设计应考虑设备水平地震产生的弯矩对设备梁及框架的影响。
3、钢结构冷换框架的设计方法
3.1一般规定
①冷换框架的结构安全等级为二级。结构设计使用年限为50年。
②框架结构构件，应满足各种荷载状态下的承载力要求;对直接承受动力荷载的结构，在计算强度和稳定性时，动力荷载应乘以动力系数;在计算变形时，动力荷载标准值不乘以动力系数;计算框架梁、柱时，可不考虑平台活荷载不利位置的影响;计算框架柱和基础是，可不考虑各层平台活荷载的折减;支撑轴线宜交汇于梁柱轴线的交点，当支撑轴线偏离梁柱轴线的交点不超过支撑构件宽度时，内力分析仍可按中心支撑框架进行，但应计入由于偏心产生的附加弯矩;框架梁应按受弯和压弯构件验算梁的强度和稳定。
③多层框架结构在风荷载作用下的顶点水平位移与总高度之比不宜大于1/300，层间相对位移与层高之比值不宜大于1/250;平台板挠度限值为L/150，平台次梁挠度限值为L/200，平台主梁挠度限值为L/250，设备梁挠度限值为L/350，框架梁、手电动葫芦的轨道梁挠度限值为L/400，单轨吊车梁挠度限值为L/500（L为构件计算跨度）。 ④平面外支撑计算长度均取其几何长度;平面内交叉支撑计算长度取0.5倍几何长度，其他支撑除底层取原几何长度外，其他层均取0.8倍几何长度。
⑤柱允许长细比为150，受拉水平、竖向支撑允许长细比为300，受压水平、竖向支撑允许长细比为200。
3.2抗震设计
①冷换框架抗震设计应符合丙类构筑物抗震设防要求。
②设防烈度为6度Ⅲ、Ⅳ类场地、7至9度时，框架应考虑水平地震作用，并应按框架两个主轴方向分别进行抗震验算;验算时可不考虑竖向地震作用。
③设防烈度为6度Ⅰ、Ⅱ类场地时，框架可不进行抗震验算。
④地震区支承主要设备的设备梁及其两端连接应满足抗震设防的要求。
⑤钢框架在多遇地震作用下阻尼比取0.04，在罕遇地震作用下取0.05。
⑥7度Ⅳ类场地、8度非Ⅰ类场地和9度时，梁柱连接处节点域范围内的柱腹板厚度不宜小于梁、柱截面高度之和的1/70;其他情况不小于1/90。
⑦钢结构构件连接应按地震组合内力进行弹性设计，并应进行极限承载力验算。
⑧计算地震作用时，正常操作时框架的重力荷载代表值应取永久荷载和可变重力荷载组合值之和。平台活荷载的组合值系数取0.5，设备及管线的介质荷载的组合值系数取1.0。
3.3荷载和地震作用效应组合
①冷换框架设计应按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载和地震作用效应组合，并应取各自最不利的效应组合进行设计。
②承载能力极限状态下，冷换框架应分别按正常操作、停产检修、冲水试压、地震作用四种工况进行荷载效应组合，取最不利情况进行构件承载力设计。
③冷换框架结构构件荷载和地震作用效应，应根据不同工况进行荷载效应组合并取其最不利者。
④钢框架正常使用极限状态，应验算正常操作荷载状态下钢梁的挠度、风荷载作用下框架顶点水平位移和层间相对位移。并验算挠度、水平位移时采用荷载的标准值组合。
3.4地基基础
①框架独立基础在停产检修时，基础底面与地基土之间零应力区面积不应超过基础底面面积的25%;其他荷载状态时，不超过15%。
②混凝土基础顶面高出设计地面不宜小于150mm，且基础顶面应设置二次灌浆层，待框架柱安装后填实;二次灌浆层宜采用无收缩水泥砂浆，强度等级比基础高一个等级的无收缩细石混凝土（厚度宜为50mm）或水泥基无收缩灌浆料（厚度宜为30mm）;地脚螺栓中心至短柱平面外边缘距离不应小于150mm，且不得小于4倍螺栓直径。柱脚底板边线到短柱顶面边缘的距离不宜小于70mm;基础短柱竖向钢筋直径不宜小于12mm，间距不宜大于300mm，且每边配筋率不小于0.05%;短柱竖向钢筋应锚入基础底板内不小于钢筋锚固长度;短柱箍筋直径不宜小于8mm，在地脚螺栓埋置长度内的间距，应采用100mm，其他部位200mm。
③基础底板内钢筋直径不宜小于12mm，间距不宜大于200mm，底板中受拉钢筋的配筋率不应小于0.15%。基础底板边缘高度不应小于250mm。基础底板下层受力钢筋保护层不应小于40mm，当无垫层时不应小于70mm。腐蚀环境应根据防腐设计要求确定受力钢筋保护层厚度。
4、钢结构冷换框架设计的几点体会
①目前钢结构设计多借助钢结构计算机软件进行结构受力计算，结构和构件的平面内强度及整体稳定计算可依靠程序自动完成。结构和构件的平面外强度及稳定计算，需要将整个结构按标高分解成多个不同布置形式的结构体系，在不同的水平荷载作用下进行计算。
②轴心受压构件和压弯构件局部稳定有两种方式：一是控制翼缘板自由外伸宽度与其厚度之比;二是控制腹板计算高度与其厚度之比。
③钢结构体系的稳定性研究中存在许多随机因素的影响，目前结构随机影响分析所处理的问题大部分局限于确定的结构参数、随机荷载输入这样一个格局范围，而在实际工程中，由于结构参数的不确定性，会引起结构响应的显著差异。
5、结语
钢结构冷换框架作为钢结构中一个非常常用的结构，在工业领域有着广泛的应用。但是根据地区的地质条件差异和运作设备的不同功能要求，冷换框架的具体设计方法也有着很大的差异，作为设计人必须理清条件要求，结合实际进行框架的设计，切不可生搬硬套。
参考文献：
1、石油化工鋼结构冷换框架设计规范SH/T3077-2012，中国石化出版社
2、钢结构设计规范GB50017-2003，中国计划出版社