一些大型化工设备需要预先安装在钢结构上通过海运到现场，运输过程中由于海浪的作用，设备会产生较大的水平力，通常这一部分水平力会大于现场安装就位后的地震力和风荷载。由于设备底部的螺栓数量和大小的限制，无法承担这么大的海运荷载，因此海运状态时，在设备重心位置以上设置水平力导向层，使得一部分水平力通过导向层直接传递到柱子，设备底部的水平力相对减小，从而满足设备和钢结构间连接螺栓的抗拔承载力。
为了追求高精度，高效率和低成本，一些化工设备都需要预先安装在钢结构管架上，和钢结构一同运输到现场安装就位。但是有些设备由于底座尺寸和支撑设备的钢结构构造的限制，较难在底座上设计足够的连接螺栓来承担设备所受到的水平力。笔者有幸设计过一个管架构筑物，长48m，宽21.2m，高约20m，共有7层管架。管架自带10个大设备，其中有三个同一型号的设备V，单个自重达到133t左右，高约17m。设备与钢结构之间采用10.9级高强度螺栓连接，16个Ø36螺栓沿着底座均匀布置，海运时，根据海运小组提供的船运数据，设备底部最大弯矩计算值达到6900kN•m左右。此时一侧圆周上8个螺栓受拉，另一侧圆周上8个螺栓受压，受拉和受压螺栓受力大小由螺栓离设备中心水平距离（Xi）的多少确定，距离越大，受力越大。
可近似按以下公式计算：[7]Fi:螺栓受拉（压）力；M：作用在设备底部的弯矩；Xi：螺栓离设备圆心的水平距离。由此可推算出在水平力作用下，最外侧螺栓承担拉力最大，约为Tmax=500kN，减去设备自重在每个螺栓处产生的压力值约80kN，螺栓1的拉力为420kN。根据螺栓的抗拔力计算公式T=(π*de2/4)*ft[1]，一个Ø36的10.9级高强螺栓抗拉力约为325kN，无法承担420kN的拔力。由于设备底座的尺寸限制和钢结构构件的布局，很难再增加螺栓的数量或大小。假设由设备底部螺栓承担一部分由船运加速度产生的水平力而另一部分水平力由上部某一楼层直接传递到柱子，那么就可以解决螺栓承载力不够的问题。因此需要设备和某一楼层相连，把部分水平力传递到这一楼层。
1确定水平力导向层
此项目除底层外另有5个操作平台，如果选择设备重心以下的楼层作为水平力导向层，那么所有的水平力都将导向水平力导向层。显然设备重心以下的楼层作为水平力导向层并不经济，而设备重心位置在110m标高处，110m以上有三个楼层分别为113.3m，117.7m以及120.5m。设备总高17m，在楼层117.7m处为设备进口，无法设置水平力导向块，因此只有标高为113.3m的这个楼层适合作为水平力导向层。1.1水平荷载作用[4、6]（1）海运荷载[2、6]。由于在海运过程中会遭遇海浪，形成颠簸，固定在钢结构上的设备会随船摇摆，而摇摆的幅度则取决于设备的自重和海浪的大小。海浪的运动对钢结构和设备的影响可简化成三个方向的作用[1]，分别为沿着船宽方向、船长方向的水平力，以及垂直于船体的竖向力。这三个方向都有正反两个力，所以一共有三对作用力分别和其他力组合后分析计算。海浪的作用力与地震类似，都可简化为各个方向的加速度与自重的乘积，而各个方向的加速度都与海浪的频谱,运输船的大小，航海速度等相关。通常在海运产生的X向，Y向和Z向的水平力和垂直力对设备的影响往往要大于安装就位后风荷载或地震力对设备的影响。除了一些比较特殊的设备，体积较大而自重较轻，有可能设备产生的风荷载会大于海运产生的荷载，那就另当别论了。
（2）风荷载[3]。海运状态时，由海运小组提供的风速为21m/s。安装就位后，钢结构将承担风荷载和管道的水平力组合。此时安装所在地的风速为93m/s，如果水平力导向层再叠加设备的风荷载，那么对此层钢结构会有较大的影响，部分结构截面需要增大，并不经济合理。因此在安装就位后不考虑设备的风荷载由水平力导向层导向钢结构柱。这时需要在设备和钢结构之间预留足够的间隙，使得设备在风荷载作用下的变形小于预留的间隙，以防止设备产生水平位移而施加水平力到钢结构上。
（3）水平荷载组合[4]。海运状态时，为短期效应组合，考虑采用标准组合。此时水平力荷载效应组合为船运加速度产生的水平力与海运时的风荷载组合，组合系数为1.0。1.2计算模型（1）建立力学模型1，把设备V简化成杆件形式，如图1所示。此简化力学模式中的杆件设定为一内径2.9m，壁厚114mm的钢圆柱形，基本与设备V刚度相一致，因此能较准确地反映设备的变形位移。标高113.3m层作为水平力导向层，对设备有侧向支撑作用，简化成节点3。节点3作为支座对设备在X，Y两个方向上的水平侧移起限制作用[5]。海运状态下加速度产生的荷载水平力作用在设备重心位置。通过简化力学模型，按照结构静力学分析，可以求出设备底部的弯矩大约为500kN•m，而不设水平力导向层时底部的弯矩为6900kN•m，相比较减小的幅度很大。此时螺栓最大拉力为50kN，满足螺栓的抗拔承载力要求。
（2）建立整体三维结构模型，在113.3标高处平台输入力学模型计算所得节点3的支座反力。船运时加速度产生的海运荷载与自重，风载以及海浪对结构产生的上拱和下拱的力组合，并进行分析计算。沿船长方向海运荷载较小，此时荷载由八字梁传到水平支撑，再由水平支撑传递到钢柱。而沿船宽方向产生的海运荷载较大，此时水平支撑和钢梁形成一个桁架，海运荷载则作用在桁架节点处，传力路径简单明了，如图2所示。（3）施工安装。①设备上导向块。设备厂家在与水平力导向层相对应的设备高度上焊接水平力导向块。设备沿着船长方向，船宽方向会产生海运水平荷载，因此在设备的0°，90°，180°，270°四个方向上分别焊接一块导向块，如图3所示。②钢结构上导向块。在水平力导向层标高，设备四周钢梁侧边加水平力导向块，尺寸与设备上的导向块相适应。为了避免钢梁受扭，在钢梁上下翼缘处各设一块连接件，此带肋L形连接件与梁翼缘焊接，与导向块螺栓连接，使得水平力通过导向块均匀传递到梁上下翼缘，如图4所示。考虑到安装就位后，风荷载产生的水平力不再传输到水平力导向层，设备和钢结构之间需要预留足够大的空间，因此钢结构上的导向块由螺栓连接到钢梁上，以便拆卸。
钢结构模块拼装时先吊装设备，等设备安装就位后再安装水平导向层设备四周边的梁，梁上导向块与设备四周预留的导向块紧密结合，以保证在海运状态时，设备水平力能传递给导向层。在钢结构制作加工时，导向块表面应喷涂氟碳涂料，其摩擦系数较小，可方便移走导向块。管架运到现场安装就位后，在导向块上部预留的安装孔内穿插钢丝绳，移走导向块。导向块被移走后，设备与钢梁间间隙即为被移走的导向块厚度——45mm，而此时在水平力作用下，设备在水平导向层高度的位移值应小于45mm才能保证水平力不会通过水平导向层传递水平力。为了验证这一点，把力学模型1中节点3处的支座移走，输入风荷载查看节点3处位移值。通过计算，在风荷载X,Y向作用下，显示节点3的位移值达到5mm，远小于设备和钢梁之间预留的空隙，因此所有的风荷载都会直接传递到设备底部[5]。
2结束语
设置水平力导向层能有效地分担船运时设备产生的水平力，使得设备底部的弯矩减小，从而满足设备和钢结构间连接螺栓的抗拔承载力。在计算的时候需要充分考虑各个工况下的受力情况,准确加载水平力，考虑节点细部以保证水平力的传导，并加设水平支撑，使得传力路径清晰明了，以保证结构的安全性。
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