CN106437213A - 一种空分杆件式冷箱结构 - Google Patents

Abstract

一种空分杆件式冷箱结构，它主要由四周桁架结构并在四周壁用钢板作为面板围护而成一密闭的、横截面呈长方形的箱体，所述的四周桁架结构由多段桁架单元依次相接而成，每一段桁架单元包括四根角柱单元，上中下三个平面上的各四根横梁，在每一周侧面的上中下横梁上相交于中横梁中点的两根斜撑以及垂直布置于中横梁中点的拉杆单元；所述的角柱单元选用方管或H型钢条，角柱单元的长度为多段桁架单元结合的高度，且不超过12m，角柱单元之间的节点通过剖口熔透焊连接；所述的横梁选用H型钢，其两端分别通过剖口熔透焊固定连接在相应的左右两根角柱上；它具有结构受力合理、传力路径清晰、安全可靠、减少结构中间柱及其地脚锚栓的数量等特点。

Description

一种空分杆件式冷箱结构

技术领域

本发明涉及的是一种空分杆件式冷箱结构，适用于空气分离制氧氮设备冷箱、制氩设备冷箱、制氢设备冷箱、换热器冷箱及液化设备的冷箱等一切含有低温设备的封闭性保冷装置。

背景技术

传统空分冷箱采用板块式结构体系，这种结构设计方法为将整个冷箱分割成几十个甚至上百个板块单元，每个单元均由H型钢或槽钢作为边缘构件，内含斜撑和面板，每个单元相连时，边缘构件和边缘构件通过螺栓连接和焊接两种连接方式组成新杆件，即梁或者柱，所以会产生大量的梁柱，受运输条件的限制，板块不可能划分的很大，但是板块单元划分越小，组成的梁柱就越多，连接施工的工作量就越大；而冷箱这种特种结构是中空无楼层板的，主要靠四周的桁架结构传力，所以组合而成的大量中间柱都是长细比非常大且无侧向支撑的，所以对作用在冷箱面板上的珠光砂荷载，氮气压力和冷箱面板外风荷载吸力或压力的传递是没什么贡献的，反而浪费了大量钢材还增加了桁架结构平面外的地震力。

这种传统的空分冷箱结构不但结构中间柱及其地脚锚栓的数量多、浪费大量钢材、施工工艺复杂、需要大量制造和安装工作量还有较长工程建造周期，制造成本高，给整个项目的经济效益拖了后退。

另外，由板块间的边缘构件组成的梁柱组合构件在计算建模时更是复杂，目前软件只可以根据组合截面的各项性能指标自定义截面，不能生成三维效果图预览杆件截面方向设置是否正确，极其容易出错，即使正确，这种计算建模方式也需要很长的工期。

由于这种传统的冷箱结构体系，如果对每个项目都进行设计计算，那将会耗费很长的设计周期，所以目前国内的厂家为了赶进度都不进行计算，通过拍脑袋来设计，而冷箱高度动辄60m以上高度，这将是非常危险的，每年也会有不少安全事故发生，所以对这种传统的冷箱结构体系的变革是迫在眉睫了。

发明内容

本发明的目的在于克服传统板块式冷箱结构存在的不足，而提供一种结构受力合理、传力路径清晰、安全可靠、减少结构中间柱及其地脚锚栓的数量、节省大量钢材、施工工艺简单、减少了大量制造和安装工作量并缩短了工程建造周期，给整个项目带来可观经济效益的空分杆件式冷箱结构。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种空分杆件式冷箱结构，它主要由四周桁架结构并在四周壁用钢板作为面板围护而成一密闭的、横截面呈长方形的箱体，所述的四周桁架结构由多段桁架单元依次相接而成，每一段桁架单元包括四根角柱单元，上中下三个平面上的各四根横梁，在每一周侧面的上中下横梁上相交于中横梁中点的两根斜撑以及垂直布置于中横梁中点的拉杆单元；

所述的角柱单元选用方管或H型钢条，角柱单元的长度为多段桁架单元结合的高度，且不超过12m，角柱单元之间的上下相接节点通过剖口熔透焊连接；

所述的横梁选用H型钢，其两端分别通过剖口熔透焊固定连接在相应的左右两根角柱上；

所述的斜撑选用圆管，其两端分别通过连接板与梁柱连接节点上焊接的固定板通过螺栓连接；

所述的拉杆单元与横梁之间通过剖口熔透焊连接。

作为优选：所述的四周桁架结构下底部相接有一底桁架单元，它是在所述四根角柱单元上形成的最下段桁架单元下面，其中的四个侧面上分别设置有三角撑单元，它包括左右两个连接在左右两角柱单元上的三角柱、以及连接在两个三角柱各自外端部与中间拉杆单元与横梁中点的连接撑杆组成；其中所述左右两个三角柱的两个连接端点分别通过焊接的连接板与焊接在角柱单元上的固定板用螺栓固定连接；所述连接撑杆也通过焊接的连接板与焊接在横梁中点上的固定板用螺栓固定连接；

所述角柱和横梁的H型钢截面横向设置，即H型钢翼缘与冷箱面板平行设置。

作为优选：所述的四周桁架结构上面设置有半桁架结构，它包括一侧凸起的两根角柱和中间对称拉杆，在凸起的两根角柱以及中间两根对称拉杆之间分别连接有四根上端横梁，并在左右两根横梁的中间还相接有一根中间横梁；

所述的横梁由二根梁单元通过螺栓连接而成，其中的梁单元的端部用剖口熔透焊焊连有连接用的端头板，所述的拉杆单元也由两根杆单元通过螺栓连接而成，且所述杆单元的端部也用剖口熔透焊焊连有连接用的端头板。

本发明采用杆件式的冷箱结构体系，冷箱是中空无楼层板，四周采用桁架结构体系并用钢板做面板围护的密闭特种钢结构，冷箱只需要四根角柱作为桁架结构体系的结构柱即可，梁柱截面可采用方管或H型钢，斜撑截面采用圆管；所有的梁柱杆件均为独立杆件，而非传统冷箱的所有梁柱构件均由板块单元边缘构件通过相互间的连接而成的组合构件。

如为满足工艺要求，桁架结构中间位置也可增加一根落地柱；由于受冷箱内珠光砂荷载，氮气压力和冷箱面板外风荷载吸力的作用，故H型钢截面应横向设置，即H型钢翼缘与冷箱面板平行设置，建模计算时可通过生成三维效果图预览杆件截面方向设置是否正确。

为了桁架结构的斜撑为二力杆，不受平面外荷载的影响，将面板及其加劲肋结构体系和桁架的斜撑脱开，保留一定的间距，使桁架结构平面外的荷载，如珠光砂荷载、氮气压力和风荷载等作用在冷箱面板上的平面外荷载不会直接传导给斜撑，这样更符合桁架结构体系的条件，所以斜撑截面选择圆管更符合二力杆的受力性能，也更经济合理。

冷箱是为内部低温设备保冷的，所以内部填满绝热材料珠光砂，并与低温设备和低温管道间留有300mm以上的距离，平面布置图为矩形，无楼层板，所以内部各种管道支架及设备支架直接由桁架结构传至基础；楼梯平台上的恒活载也通过桁架结构直接传递给基础；内部的氮气压力和风荷载是通过面板传至横梁，通过柱子再传到基础；珠光砂荷载比较特殊，具有内摩擦角，传力路径比较复杂，一部分通过内部塔器壁的摩擦力直接传至基础，另一部分是通过作用在面板上的水平压力和竖向摩擦力先传至梁柱，再传到基础，还有一部分则直接作用在基础上，尽管作用在冷箱上的荷载比较复杂，但该设计新方法的结构体系传力路径清晰，可以将冷箱的实际受力状态更好地模拟到计算模型中，对冷箱结构的各杆件进行更精确的计算。

本发明具有结构受力合理、传力路径清晰、安全可靠、减少结构中间柱及其地脚锚栓的数量、节省大量钢材、施工工艺简单、减少了大量制造和安装工作量并缩短了工程建造周期，给整个项目带来可观经济效益等特点。

附图说明

图1是本发明所述冷箱结构的立面布置示意图。

图2是本发明所述冷箱结构的中间层平面布置示意图。

图3是本发明所述冷箱结构的顶层平面布置示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作详细的介绍：图1、2所示，本发明所述的一种空分杆件式冷箱结构，它主要由四周桁架结构并在四周壁用钢板作为面板围护而成一密闭的、横截面呈长方形的箱体，所述的四周桁架结构由多段桁架单元依次相接而成，每一段桁架单元包括四根角柱单元1，上中下三个平面上的各四根横梁2，在每一周侧面的上中下横梁2上相交于中横梁中点的两根斜撑3以及垂直布置于中横梁中点的拉杆单元4；

所述的角柱单元1选用方管或H型钢条，角柱单元1的长度为多段桁架单元结合的高度，且不超过12m，角柱单元1之间的上下相接节点通过剖口熔透焊连接；

所述的横梁2选用H型钢，其两端分别通过剖口熔透焊固定连接在相应的左右两根角柱单元1上；

所述的斜撑3选用圆管，其两端分别通过连接板与梁柱连接节点上焊接的固定板通过螺栓连接；

所述的拉杆单元4与横梁2之间通过剖口熔透焊连接。

图1所示，本发明所述的四周桁架结构下底部相接有一底桁架单元，它是在所述四根角柱单元1上形成的最下段桁架单元下面，其中的四个侧面上分别设置有三角撑单元，它包括左右两个连接在左右两角柱单元2上的三角柱5、以及连接在两个三角柱5各自外端部与中间拉杆单元4与横梁2中点的连接撑杆6组成；其中所述左右两个三角柱5的两个连接端点分别通过焊接的连接板与焊接在角柱单元1上的固定板用螺栓固定连接；所述连接撑杆6也通过焊接的连接板与焊接在横梁2中点上的固定板用螺栓固定连接；

所述角柱单元1和横梁2的H型钢截面横向设置，即H型钢翼缘与冷箱面板平行设置。

图1、3所示，所述的四周桁架结构上面设置有半桁架结构，它包括一侧凸起的两根角柱单元1和中间对称拉杆单元4，在凸起的两根角柱单元1以及中间两根对称拉杆单元4之间分别连接有四根上端横梁7，并在左右两根横梁7的中间还相接有一根中间横梁8；

本发明所述的横梁2由二根梁单元通过螺栓连接而成，其中的梁单元的端部用剖口熔透焊焊连有连接用的端头板，所述的拉杆单元4也由两根杆单元通过螺栓连接而成，且所述杆单元的端部也用剖口熔透焊焊连有连接用的端头板。

实施例：图1-3所示，本发明所述的空分杆件式冷箱结构中空无楼层板无支撑的矩形结构，由于受冷箱内珠光砂荷载，氮气压力和冷箱面板外风荷载吸力的作用，而这三种荷载组成的最不利工况为对冷箱横梁水平向外作用且远大于横梁所受的竖向荷载，所以横梁设计为H型钢且水平设置，即H型钢翼缘与冷箱面板平行设置，使强轴抵抗该最不利组合工况；立面布置图为桁架结构，柱子截面可取方管或H型钢，斜撑作为二力杆，截面可取圆管。整个冷箱抵抗风荷载和地震荷载等横向作用的主要结构体系就是沿冷箱四周的四榀桁架，所以只需四根角柱即可，传统板块式冷箱中的大量中间柱都是浪费了大量钢材还增加了桁架结构平面外的地震力，但如果为了满足工艺要求，如需要设置支架等，则可在桁架中间适当增加一根落地柱。

本发明所述冷箱桁架结构所有杆件间的节点连接方式如下：

1）柱单元间的连接：桁架柱长度很长，所以可以分成多个柱单元，但受运输条件限制一般柱单元长度不超过12m，柱单元间的节点连接方式为剖口熔透焊，焊缝等级为二级。

2）梁单元间的连接：桁架梁一般不会很长，每根梁可以只有一个梁单元组成，但为了减少现场焊接工作量，梁单元间采用高强螺栓连接，即图2中的梁单元1和梁单元2间的连接，梁单元的端头板由工厂钻好孔并用剖口熔透焊与梁单元焊接好，现场只需安装高强螺栓。

3）梁柱单元间的连接：为了减少现场焊接工作量，保证梁柱连接节点的焊接质量，梁单元1和柱子的焊接工作在工厂完成，焊接方式为剖口熔透焊，焊缝等级为二级。

4）斜撑单元与粱柱单元间的连接：斜撑单元两端的连接板和焊接在梁柱单元上的连接板均由工厂完成钻孔和焊接工作，连接板焊缝采用角焊缝，连接板和连接板的螺栓连接到现场安装，螺栓采用承压型高强螺栓。

5）拉杆单元间的连接：桁架拉杆一般不会很长，每根拉杆可以只有一个拉杆单元组成，但为了减少现场焊接工作量，拉杆单元间采用高强螺栓连接，即图2中的拉杆单元1和拉杆单元2间的连接，拉杆单元的端头板由工厂钻好孔并用剖口熔透焊与拉杆单元焊接好，现场只需安装高强螺栓。

6）拉杆单元与梁单元间的连接：为了减少现场焊接工作量，保证拉杆和梁连接节点的焊接质量，拉杆单元1和梁的焊接工作在工厂完成，焊接方式为剖口熔透焊，焊缝等级为二级。

7）三角撑单元间的连接：冷箱底部有设备和管道占据了桁架结构的斜撑位置时，可将斜撑布置成三角撑形式，三角撑单元间采用相贯剖口熔透焊，焊缝等级为一级。

8）三角撑单元与梁柱单元间的连接：三角撑单元端头的连接板和焊接在梁柱单元上的连接板均由工厂完成钻孔和焊接工作，连接板焊缝采用角焊缝，连接板和连接板的螺栓连接到现场安装，螺栓采用承压型高强螺栓。

9）柱单元和柱底板间的连接：柱单元和柱底板间的连接采用剖口熔透焊，焊缝等级为一级，为保证焊接质量和减少现场焊接工作量，此焊缝在工厂完成。

Claims (3)

1.一种空分杆件式冷箱结构，它主要由四周桁架结构并在四周壁用钢板作为面板围护而成一密闭的、横截面呈长方形的箱体，其特征在于所述的四周桁架结构由多段桁架单元依次相接而成，每一段桁架单元包括四根角柱单元，上中下三个平面上的各四根横梁，在每一周侧面的上中下横梁上相交于中横梁中点的两根斜撑以及垂直布置于中横梁中点的拉杆单元；

所述的角柱单元选用方管或H型钢条，角柱单元的长度为多段桁架单元结合的高度，且不超过12m，角柱单元之间的上下相接节点通过剖口熔透焊连接；

所述的横梁选用H型钢，其两端分别通过剖口熔透焊固定连接在相应的左右两根角柱上；

所述的斜撑选用圆管，其两端分别通过连接板与梁柱连接节点上焊接的固定板通过螺栓连接；

所述的拉杆单元与横梁之间通过剖口熔透焊连接。

2.根据权利要求1所述的空分杆件式冷箱结构，其特征在于所述的四周桁架结构下底部相接有一底桁架单元，它是在所述四根角柱单元上形成的最下段桁架单元下面，其中的四个侧面上分别设置有三角撑单元，它包括左右两个连接在左右两角柱单元上的三角柱、以及连接在两个三角柱各自外端部与中间拉杆单元与横梁中点的连接撑杆组成；其中所述左右两个三角柱的两个连接端点分别通过焊接的连接板与焊接在角柱单元上的固定板用螺栓固定连接；所述连接撑杆也通过焊接的连接板与焊接在横梁中点上的固定板用螺栓固定连接；

所述角柱和横梁的H型钢截面横向设置，即H型钢翼缘与冷箱面板平行设置。

3.根据权利要求1或2所述的空分杆件式冷箱结构，其特征在于所述的四周桁架结构上面设置有半桁架结构，它包括一侧凸起的两根角柱和中间对称拉杆，在凸起的两根角柱以及中间两根对称拉杆之间分别连接有四根上端横梁，并在左右两根横梁的中间还相接有一根中间横梁；

所述的横梁由二根梁单元通过螺栓连接而成，其中的梁单元的端部用剖口熔透焊焊连有连接用的端头板，所述的拉杆单元也由两根杆单元通过螺栓连接而成，且所述杆单元的端部也用剖口熔透焊焊连有连接用的端头板。