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【摘要】本文结合伊朗雅达项目的管廊设计实例，针对国外设计规范，介绍了国际通用结构设计软件STAAD.PRO在该项目中的设计应用，以及结构的优化设计对工程安全及投资的重大影响，可为类似工程提供参考。
【关键词】结构计算模型STAAD.PRO软件参数 方案优化
图1主管廊平面位置示意图
图2管廊典型的立面、剖面图
设计中通过合理的柱列布置，严格控制温度区段长度不超过42m，在需要设缝的位置将管廊的纵向系梁断开，考虑到二、三层电缆桥架跨度不能大于3m，温度缝处管廊采用单侧悬挑3m并带有斜撑的结构布置形式（见图2，3）。
图3温度区段划分图
电缆支架的布置
管廊的二层走仪表电缆桥架和部分工艺管线，管廊的三层走电力电缆桥架。因站内大部分电缆走主管廊，所以电缆桥架数量非常多，仪表电缆桥架为两层两列，电力电缆桥架为四层六列。考虑到电缆桥架跨度大于3m会产生较大的竖向变形，设计中沿管廊纵向3m左右设置了辅梁，以确保电缆支架的间距不超过3m。为方便电缆穿行，电缆桥架支架采用树形结构设计（见附图2）。
1）规范中1630章节规定地震荷载计算公式如下：
E — 作用于结构的总地震荷载，包括水平和竖向地震。
Eh— 由基地剪力引起的水平地震荷载。
Ev — 由地震竖向分量引起的荷载效应，近似考虑在恒载效应D的基础上另加0.5CaID。
ρ— 可靠性系数, ρ应≥
Ω — 结构超强系数，相当于地震放大系数。
上式列出的总地震荷载（E）以及估计的最大地震荷载(Em)，体现在STAAD.PRO软件的地震荷载组合中，由于荷载组合数太多，本文限于篇幅就不在赘述。
2）规范中1630章节规定水平地震剪力计算公式如下：
CV — 由土壤类别及地震分区确定的地震系数。
I — 抗震重要性系数。
R — 结构的延性系数。
T — 结构的自振周期。
W — 参与地震计算的恒重。
伊朗雅达瓦兰油田处于伊朗西南部两伊边境线附近，地震分区相当于2B区；根据最终地质勘查报告，该场地土壤类型为软土，土壤类别为S E类；中心处理站属于重要性设施，因此抗震重要性系数取1.25；结构的延性系数R由结构的抗侧力体系来确定，是反映结构内在抵抗水平力特性的一个参数，根据结构耗能的思想，延性大的体系可以降低地震作用，延性差的体系提高地震作用，该管廊沿跨度方向为抗弯框架体系(Moment-resisting framesystem），属于其中的普通抗弯框架（Ordinary moment-resisting frame (OMRF)），RZ值取4.5，沿长度方向为建筑框架体系(Building frame system) ，属于其中的普通支撑框架(Ordinary braced frames) ，RX值取
规范中1620章节规定风荷载计算公式如下：
该项目基本风速为35m/s，地面暴露类别为D类，各计算参数见表2：
表2 风荷载参数汇总表
FEED结构设计说明中关于迎风面宽度规定如下：管廊构件迎风宽度为构件实际截面宽度；管线迎风宽度为最大管线直径加上10%管线分布宽度（以近似考虑密铺管线对风荷载的放大影响）；电缆桥架迎风宽度为桥架高度加上10%桥架分布宽度（以近似考虑密铺电缆桥架对风荷载的放大影响）。
最后将不同高度的风荷载乘以相应的迎风宽度，转化为均布荷载或集中荷载作用于管廊结构上。
表3 计算参数汇总表
方案1：沿管廊跨度方向采用刚接框架结构，柱脚也为刚接。设计中选取了两种具有代表性的温度区段建立模型。模型1（图4）是柱距6m，总长36m的典型区段；模型2（图5）是带有18m跨路桁架，总长41m的特殊区段。
图4计算模型１图5计算模型２
经过STAAD.PRO软件计算分析后发现构件截面非常大，立柱截面为HEA700(支撑及跨路处立柱HEB700)，主梁截面均为HEA600，并且立柱最大应力比达到了0.97。由于FEED阶段没有考虑项目二期管线及电缆桥架荷载，导致目前设计总用钢量已经超过了FEED阶段用钢量。若要不超投资，必须彻底推翻原结构形式，经细致分析，考虑到管廊一层需要设有不小于4X4m的安全检修通道，决定将管廊跨度方向的抗弯框架体系改为支撑框架体系，在沿跨度方向一层设置人字支撑（方案２），并通过在检修通道两侧设置安全指示杆，来保证车辆不会与支撑碰撞。
图6人字支撑布置图
方案2：沿管廊一层跨度方向设置人字支撑(图6)，经计算分析后，立柱截面变为HEA400(支撑立柱HEA600)，横梁一层为HEA400，二、三层为HEA450，人字支撑采用热轧无缝钢管Φ219X8，支撑最大应力比0.87，立柱最大应力比0.76。在安全性和经济性方面方案2明显优于方案1，主要表现在：1）设置人字支撑后，结构抗震性能大幅度提高，构件的应力比更加的合理。2）构件截面尺寸明显减小，钢材用量大幅度降低。3）钢结构防腐及防火涂料费用大幅度减少。4）柱脚由靴梁式刚接柱脚改为平板式铰接柱脚，柱脚钢材及基础混凝土用量也随之大幅度减少。主要工程量比较见表4。
表4 主要工程量比较
从上表可以看出，用钢量上：方案1较FEED增加134吨钢材，而方案2较方案1减少了456吨钢材；钢筋混凝土用量上：方案2较方案1减少168m3，考虑1%配筋率，约减少钢筋1
1、在STAAD.PRO建模初期，计算模型的确定显得尤为重要。特别是对于超长的管廊，必须准确的划分出温度区段，确定支撑的形式，明确电缆支架等主要附属构件的形式及荷载作用位置，以保证计算模型能够真实反映工程实际。
2、STAAD.PRO三维空间有限元分析软件功能十分强大，但所有的设计相关参数及荷载组合都需要人为指定，因此设计人员只有熟悉相关国外的规范，熟悉软件参数的规定，并具备清晰的结构概念，才可以得到正确的计算结果。
3、结构设计在满足工艺要求及使用功能的前提下，通过合理的结构优化设计，可以取得既安全又经济的效果，尤其对于总承包项目具有更加重要的意义。
【参考文献】
UBC97， Uniform Building Code [S]
AISC360-10, American Institute of Steel Construction[S]
【作者简介】王剑（1977－06－25）、男、山东菏泽人、中级职称、大学本科、在胜利油田胜利勘察设计研究院有限公司建筑所从事结构设计。
【关键词】结构计算模型STAAD.PRO软件参数 方案优化
一、工程概况
伊朗雅达项目主要地面设施包括两座集油站、一座中心处理站、三条油气外输线、一条新鲜水管线等，我院负责设计的是中心处理站部分。中心处理站内共有14条管廊，本文相似度检测绍的是东-西走向主管廊（见图1），该管廊长636m，横向跨度10m，共三层，下层考虑跨路处车辆通行，高度7.3m，上部两层高度均为3m，总高度13.3m，标准柱距6m，跨路4处，最大跨度18m，与其连接的支管廊共9条。该管廊一层走管线，二层走管线和仪表电缆桥架，三层走电力电缆桥架。图1主管廊平面位置示意图
二、结构计算模型的确定
1、结构体系
目前管廊设计中普遍采用的结构形式为框架+支撑结构，即沿管廊跨度方向为刚接框架，沿管廊长度方向为铰接支撑体系，该管廊在初步设计（FEED）阶段采用的便是这种结构形式，因此详细设计阶段也准备沿用这种形式（见图2）。图2管廊典型的立面、剖面图
2、温度区段的划分
由于管廊长636m，必须通过设置一定数量的温度缝来划分温度区段，以释放温度应力。该管廊温度区段的划分综合考虑了以下几点：1）依据该项目FEED结构设计说明书的要求，管廊温度区段长度不应大于42m。2）配管、应力专业要求的管线锚固点和排弯的位置。3）支管廊及管廊跨路对温度区段划分的影响。设计中通过合理的柱列布置，严格控制温度区段长度不超过42m，在需要设缝的位置将管廊的纵向系梁断开，考虑到二、三层电缆桥架跨度不能大于3m，温度缝处管廊采用单侧悬挑3m并带有斜撑的结构布置形式（见图2，3）。
图3温度区段划分图
3、支撑的布置
管廊在每一个温度区段的中部设置一道上、下柱支撑，并在柱间支撑的相应位置布置水平支撑，以形成空间稳定结构。同时与应力专业反复结合后，尽量让管线的锚固位置位于支撑跨主梁上。这种布置方式优点在于：1）支撑设置温度区段中部，可以最大程度的减少温度应力对管廊的影响。2）管线锚固位置与支撑位置统一，不仅使管线推力的传递途径更加简单直接，还可以有效的减少地震中管线锚固点的变形量，从而达到保护管线和管廊的目的。电缆支架的布置
管廊的二层走仪表电缆桥架和部分工艺管线，管廊的三层走电力电缆桥架。因站内大部分电缆走主管廊，所以电缆桥架数量非常多，仪表电缆桥架为两层两列，电力电缆桥架为四层六列。考虑到电缆桥架跨度大于3m会产生较大的竖向变形，设计中沿管廊纵向3m左右设置了辅梁，以确保电缆支架的间距不超过3m。为方便电缆穿行，电缆桥架支架采用树形结构设计（见附图2）。
三、STAAD.PRO软件参数设置
1、地震参数
该项目在抗震设计方面执行的是美国UBC97规范。1）规范中1630章节规定地震荷载计算公式如下：
E — 作用于结构的总地震荷载，包括水平和竖向地震。
Eh— 由基地剪力引起的水平地震荷载。
Ev — 由地震竖向分量引起的荷载效应，近似考虑在恒载效应D的基础上另加0.5CaID。
ρ— 可靠性系数, ρ应≥
1.0且≤5，当结构处于0,1,2（2A,2B）区时ρ=0。
Em — 估计的最大地震荷载，用于计算支撑等重要构件和节点。Ω — 结构超强系数，相当于地震放大系数。
上式列出的总地震荷载（E）以及估计的最大地震荷载(Em)，体现在STAAD.PRO软件的地震荷载组合中，由于荷载组合数太多，本文限于篇幅就不在赘述。
2）规范中1630章节规定水平地震剪力计算公式如下：
CV — 由土壤类别及地震分区确定的地震系数。
I — 抗震重要性系数。
R — 结构的延性系数。
T — 结构的自振周期。
W — 参与地震计算的恒重。
伊朗雅达瓦兰油田处于伊朗西南部两伊边境线附近，地震分区相当于2B区；根据最终地质勘查报告，该场地土壤类型为软土，土壤类别为S E类；中心处理站属于重要性设施，因此抗震重要性系数取1.25；结构的延性系数R由结构的抗侧力体系来确定，是反映结构内在抵抗水平力特性的一个参数，根据结构耗能的思想，延性大的体系可以降低地震作用，延性差的体系提高地震作用，该管廊沿跨度方向为抗弯框架体系(Moment-resisting framesystem），属于其中的普通抗弯框架（Ordinary moment-resisting frame (OMRF)），RZ值取4.5，沿长度方向为建筑框架体系(Building frame system) ，属于其中的普通支撑框架(Ordinary braced frames) ，RX值取
5.6。STAAD.PRO软件中输入参数汇总见表１:
表1 地震参数汇总表2、风荷载
该项目风荷载计算执行美国UBC97规范和FEED结构设计说明。规范中1620章节规定风荷载计算公式如下：
该项目基本风速为35m/s，地面暴露类别为D类，各计算参数见表2：
表2 风荷载参数汇总表
FEED结构设计说明中关于迎风面宽度规定如下：管廊构件迎风宽度为构件实际截面宽度；管线迎风宽度为最大管线直径加上10%管线分布宽度（以近似考虑密铺管线对风荷载的放大影响）；电缆桥架迎风宽度为桥架高度加上10%桥架分布宽度（以近似考虑密铺电缆桥架对风荷载的放大影响）。
最后将不同高度的风荷载乘以相应的迎风宽度，转化为均布荷载或集中荷载作用于管廊结构上。
3、计算参数
结构计算执行的是美国AISC360-10规范。STAAD.PRO软件中主要计算参数设置见表3：表3 计算参数汇总表
四、结构方案优化
该源于：毕业小结www.udooo.com
工程初步设计（FEED）由英国一家公司设计完成，并经伊朗业主批准进行详细设计。我们知道在国外工程中，详细设计必须严格遵循FEED阶段设计，无特殊原因不得推翻原设计方案。在下面的方案比选中，方案1便是沿用的FEED阶段的结构方案。方案1：沿管廊跨度方向采用刚接框架结构，柱脚也为刚接。设计中选取了两种具有代表性的温度区段建立模型。模型1（图4）是柱距6m，总长36m的典型区段；模型2（图5）是带有18m跨路桁架，总长41m的特殊区段。
图4计算模型１图5计算模型２
经过STAAD.PRO软件计算分析后发现构件截面非常大，立柱截面为HEA700(支撑及跨路处立柱HEB700)，主梁截面均为HEA600，并且立柱最大应力比达到了0.97。由于FEED阶段没有考虑项目二期管线及电缆桥架荷载，导致目前设计总用钢量已经超过了FEED阶段用钢量。若要不超投资，必须彻底推翻原结构形式，经细致分析，考虑到管廊一层需要设有不小于4X4m的安全检修通道，决定将管廊跨度方向的抗弯框架体系改为支撑框架体系，在沿跨度方向一层设置人字支撑（方案２），并通过在检修通道两侧设置安全指示杆，来保证车辆不会与支撑碰撞。
图6人字支撑布置图
方案2：沿管廊一层跨度方向设置人字支撑(图6)，经计算分析后，立柱截面变为HEA400(支撑立柱HEA600)，横梁一层为HEA400，二、三层为HEA450，人字支撑采用热轧无缝钢管Φ219X8，支撑最大应力比0.87，立柱最大应力比0.76。在安全性和经济性方面方案2明显优于方案1，主要表现在：1）设置人字支撑后，结构抗震性能大幅度提高，构件的应力比更加的合理。2）构件截面尺寸明显减小，钢材用量大幅度降低。3）钢结构防腐及防火涂料费用大幅度减少。4）柱脚由靴梁式刚接柱脚改为平板式铰接柱脚，柱脚钢材及基础混凝土用量也随之大幅度减少。主要工程量比较见表4。
表4 主要工程量比较
从上表可以看出，用钢量上：方案1较FEED增加134吨钢材，而方案2较方案1减少了456吨钢材；钢筋混凝土用量上：方案2较方案1减少168m3，考虑1%配筋率，约减少钢筋1
3.1吨。
五、结论1、在STAAD.PRO建模初期，计算模型的确定显得尤为重要。特别是对于超长的管廊，必须准确的划分出温度区段，确定支撑的形式，明确电缆支架等主要附属构件的形式及荷载作用位置，以保证计算模型能够真实反映工程实际。
2、STAAD.PRO三维空间有限元分析软件功能十分强大，但所有的设计相关参数及荷载组合都需要人为指定，因此设计人员只有熟悉相关国外的规范，熟悉软件参数的规定，并具备清晰的结构概念，才可以得到正确的计算结果。
3、结构设计在满足工艺要求及使用功能的前提下，通过合理的结构优化设计，可以取得既安全又经济的效果，尤其对于总承包项目具有更加重要的意义。
【参考文献】
UBC97， Uniform Building Code [S]
AISC360-10, American Institute of Steel Construction[S]
【作者简介】王剑（1977－06－25）、男、山东菏泽人、中级职称、大学本科、在胜利油田胜利勘察设计研究院有限公司建筑所从事结构设计。