張瑞松 浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司 杭州 310012

在化工儲(chǔ)運(yùn)設(shè)計(jì)中，常壓立式圓筒形儲(chǔ)罐是非常常見(jiàn)的一種儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備。對(duì)于結(jié)構(gòu)專業(yè)而言，儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)工作量主要體現(xiàn)在儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)上，現(xiàn)行國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于常壓立式圓筒形儲(chǔ)罐抗震設(shè)計(jì)的規(guī)范主要有《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50191 -93、 《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》SH/T 3147 -2004、 《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50341 -2003。由于上述三個(gè)規(guī)范在適用范圍以及計(jì)算方法上有一定的共性，而計(jì)算的結(jié)果卻存在差異，導(dǎo)致土建投資存在差異，有時(shí)甚至差異很大。本文針對(duì)常壓立式圓筒形儲(chǔ)罐的抗震設(shè)計(jì)，對(duì)比分析上述三個(gè)規(guī)范存在的不同點(diǎn)，提出相關(guān)的建議。

1 各規(guī)范的適用范圍

1.1 《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》

適用于抗震設(shè)防烈度為6 度至9 度地區(qū)的構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)。該規(guī)范為結(jié)構(gòu)專業(yè)適用的中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》

適用于抗震設(shè)防烈度6 度至9 度地區(qū)的石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)。該規(guī)范為結(jié)構(gòu)專業(yè)適用的中華人民共和國(guó)石油化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》

適用于儲(chǔ)存石油、化工產(chǎn)品及其他類似液體的常壓(包括微內(nèi)壓)立式圓筒形鋼制焊接油罐的設(shè)計(jì)。該規(guī)范為設(shè)備專業(yè)適用的中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。其中該規(guī)范規(guī)定油罐抗震計(jì)算適用于罐壁高度與直徑比不大于1.6，且容積不小于100m3的常壓立式圓筒形鋼制平底油罐的抗震計(jì)算。

2 儲(chǔ)罐的水平地震作用計(jì)算

2.1 《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》

《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的儲(chǔ)罐總水平地震作用按下列公式計(jì)算:

式中，F(xiàn)Ek為儲(chǔ)罐的總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值;α1為相應(yīng)于儲(chǔ)罐與儲(chǔ)液耦合振動(dòng)基本自振周期的水平地震影響系數(shù)值，應(yīng)按規(guī)范第5.1.5 條規(guī)定確定，對(duì)于公稱容積小于10000m3的儲(chǔ)罐，可采用水平地震影響系數(shù)最大值(按抗震計(jì)算水準(zhǔn)B 確定);η 為罐體影響系數(shù)，可采用1.1;mL為罐內(nèi)儲(chǔ)液總質(zhì)量，kg;g 為重力加速度，9.81m/s2;ψW為動(dòng)液系數(shù)，可按表1 采用。

表1 動(dòng)液系數(shù)

2.2 《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》

《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的儲(chǔ)罐總水平地震作用按下列公式計(jì)算:

式中，F(xiàn)Ek為儲(chǔ)罐的總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值;α1為相應(yīng)于儲(chǔ)罐與儲(chǔ)液耦合振動(dòng)基本自振周期的水平地震影響系數(shù)值，應(yīng)按規(guī)范第7 章有關(guān)規(guī)定確定，對(duì)于公稱容積小于10000m3的儲(chǔ)罐，可采用水平地震影響系數(shù)最大值;η 為罐體影響系數(shù)，可采用1.1;m1為罐內(nèi)儲(chǔ)液總質(zhì)量，kg;g 為重力加速度，9.81m/s2;ψW為動(dòng)液系數(shù)，可按表2 采用。

表2 動(dòng)液系數(shù)

2.3 《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》

《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的罐壁底部水平地震剪力按下列公式計(jì)算:

式中，Q0為在水平地震作用下，罐壁底部的水平剪力(MN);Cz為綜合影響系數(shù)，取0.4;α 為地震影響系數(shù)，根據(jù)T 值及反應(yīng)譜特征周期Tg 及地震影響系數(shù)最大值αmax按圖D.3.1 采用，對(duì)于公稱容積小于10000m3的儲(chǔ)罐可取αmax;Y1為罐體影響系數(shù)，取1.1;g 為重力加速度，9.81m/s2;m1為儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)液總量，kg;Fr為動(dòng)液系數(shù)，由徑高比按表3 選取，中間值按插入法計(jì)算。

表3 動(dòng)液系數(shù)

2.4 對(duì)比分析

從上述三個(gè)規(guī)范計(jì)算儲(chǔ)罐的總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的公式來(lái)看，各規(guī)范的罐體影響系數(shù)、儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)液總量以及動(dòng)液系數(shù)是完全一致的。僅水平地震影響系數(shù)存在比較大的差異。以7 度0.10g地區(qū)，儲(chǔ)罐公稱容積小于10000m3的儲(chǔ)罐為例，比較它們之間的差異:

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定7 度0.10g 地區(qū)在多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震下水平地震影響系數(shù)最大值分別為0.08、0.22、0.50。

《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定α1值按抗震計(jì)算水準(zhǔn)B 確定，取α1=0.25。

《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定α1值采用水平地震影響系數(shù)最大值，取α1=0.08。

《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定地震影響系數(shù)采用水平地震影響系數(shù)最大值，取α =0.23，乘以綜合影響系數(shù)Cz=0.4 以后，α =0.23×0.4 =0.092。

從上述分析結(jié)果來(lái)看，《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》以多遇地震作為儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的抗震設(shè)防第一水準(zhǔn); 《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》以設(shè)防地震作為儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的抗震設(shè)防第一水準(zhǔn)，乘以綜合影響系數(shù)Cz=0.4 以后相當(dāng)于還是以多遇地震作為儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的抗震設(shè)防第一水準(zhǔn)，但安全等級(jí)提高至一級(jí);而《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》相當(dāng)于以設(shè)防地震作為儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的抗震設(shè)防第一水準(zhǔn)。這對(duì)儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)特別是軟弱地基上的樁基設(shè)計(jì)有非常大的影響，在地震烈度為7 度及以上地區(qū)，按照《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》分別設(shè)計(jì)樁基，在樁基規(guī)格、數(shù)量相同的情況下，樁基的數(shù)量會(huì)分別因?yàn)橛蓡螛端匠休d力特征值和單樁豎向承載力特征值控制而產(chǎn)生很大的差異。

3 總水平地震作用對(duì)罐壁底部產(chǎn)生的彎矩計(jì)算

3.1 《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》

《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)罐壁底部產(chǎn)生的彎矩，應(yīng)按下式計(jì)算:

式中，M1為總水平地震作用對(duì)罐壁底部產(chǎn)生的彎矩，N·m;ξ 為地震效應(yīng)折減系數(shù)，可采用0.40;FEk為儲(chǔ)罐的總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值，N;hW為儲(chǔ)液的高度，m。

3.2 《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》

《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的總水平地震作用對(duì)罐基礎(chǔ)頂部產(chǎn)生的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)按下式計(jì)算:

式中，M1為總水平地震作用對(duì)罐基礎(chǔ)產(chǎn)生的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值，N·m;FEk為儲(chǔ)罐的總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值;hW為儲(chǔ)液的高度，m。

3.3 《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》

《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的罐壁底部的地震彎矩應(yīng)按下式計(jì)算:

式中，M1為總水平地震作用在油罐底部所產(chǎn)生的地震彎矩，MN·m;Q0為在水平地震作用下，罐壁底部的水平剪力，MN;hW為油罐設(shè)計(jì)最高液位，m。

3.4 對(duì)比分析

從上述三個(gè)規(guī)范計(jì)算總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)罐壁底部產(chǎn)生的彎矩的公式來(lái)看，各規(guī)范計(jì)算公式中液位的高度是完全一致的。儲(chǔ)罐的總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值卻存在比較大的差異，而總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的差異實(shí)際就是水平地震影響系數(shù)的差異。以7 度0.10g 地區(qū)，儲(chǔ)罐公稱容積小于10000m3的儲(chǔ)罐為例，比較它們之間的差異(以《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算的總水平地震作用對(duì)罐基礎(chǔ)產(chǎn)生的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為基準(zhǔn)M1石化規(guī)):

《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算的彎矩值為(0.25 ×0.4)/0.08 M1石化規(guī)=1.25M1石化規(guī);

《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算的彎矩值為M1石化規(guī);

《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算的彎矩值為0.092/0.08 M1石化規(guī)=1.15M1石化規(guī)。

從上述計(jì)算結(jié)果來(lái)看， 《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》、《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》、《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)罐壁底部產(chǎn)生的彎矩有差異，但差異不大。且彎矩值對(duì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不起控制作用，對(duì)土建投資的影響不大。其中《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》之間一個(gè)比較大的區(qū)別是《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》將地震效應(yīng)折減系數(shù)(ξ =0.4)放在彎矩的計(jì)算公式內(nèi)，而《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》綜合折減系數(shù)(Cz=0.4)放在水平地震剪力計(jì)算公式內(nèi)，造成上述兩種規(guī)范水平地震剪力計(jì)算值的差異很大，而彎矩計(jì)算值的差異較小。

4 建議

(1)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求按技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的所有房屋建筑均應(yīng)達(dá)到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)，即三個(gè)設(shè)防水準(zhǔn)。

第一水準(zhǔn)——多遇地震，50年超越概率63%。結(jié)構(gòu)彈性變形，可正常使用;

第二水準(zhǔn)——設(shè)防地震，50年超越概率10%。結(jié)構(gòu)彈塑性小變形，可修復(fù);

第三水準(zhǔn)——罕遇地震，50年超越概率2% ～3%。結(jié)構(gòu)彈塑性大變形，不倒塌。

而《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求在設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)保持彈性變形，可正常使用，要求比較高。因此建議《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》以多遇地震作為儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的抗震設(shè)防第一水準(zhǔn)，這樣既可以與《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的抗震設(shè)計(jì)理念相匹配，又可以與《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》的抗震設(shè)防水準(zhǔn)相匹配?？紤]到儲(chǔ)罐的重要性、安全性要求較高，可以考慮通過(guò)提高儲(chǔ)罐的抗震設(shè)防的分類標(biāo)準(zhǔn)來(lái)達(dá)到目的。

(2)建議《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》、《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》中的地震影響系數(shù)最大值與《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的地震影響系數(shù)最大值相統(tǒng)一。保證規(guī)范之間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

1 GB 50191 -93，構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］. 北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，1993.

2 SH/T 3147 -2004，石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)石化出版社，2005.

3 GB 50341 - 2003，立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范［S］. 北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

4 GB 50011 -2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.