龔安蘇

(中國成達(dá)工程有限公司,四川成都 610041)

鋼制儲罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)探討

龔安蘇

(中國成達(dá)工程有限公司,四川成都 610041)

鋼制儲罐是目前國內(nèi)外石油化工企業(yè)的主要建構(gòu)筑物之一。作為一種常見的石油化工設(shè)備，環(huán)墻基礎(chǔ)設(shè)計(jì)困擾著不少年輕設(shè)計(jì)人員，特別是環(huán)墻厚度以及環(huán)向力的計(jì)算。文章通過對環(huán)墻厚度公式推導(dǎo)，并分析影響環(huán)墻厚度因素，給出調(diào)整環(huán)墻厚度建議。并比較不同規(guī)范計(jì)算環(huán)向力的優(yōu)缺點(diǎn)，給出環(huán)墻環(huán)向力的計(jì)算建議方法。最后通過一個鋼儲罐基礎(chǔ)的工程實(shí)例，驗(yàn)證了建議方法的適用性和正確性。

鋼儲罐； 環(huán)墻基礎(chǔ)； 環(huán)向力； 計(jì)算方法

鋼制儲罐是目前國內(nèi)外石油化工儲運(yùn)的主要構(gòu)筑物之一。隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，石油化工工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中扮演著越來越重要的角色。鋼制儲罐是石油化工生產(chǎn)儲運(yùn)中的重要環(huán)節(jié)，鋼制儲罐在使用中要求基礎(chǔ)平穩(wěn)，不產(chǎn)生過大不均勻變形。儲罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是石油化工構(gòu)筑物設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容，關(guān)乎到儲罐的安全和正常使用。在工程設(shè)計(jì)中，鋼制儲罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)根據(jù)儲罐類型不同也有所區(qū)別。

本文運(yùn)用現(xiàn)行規(guī)范GB50473-2008《鋼制儲罐地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(國標(biāo)GB50473-2008，下同)和SH/T3068-2007《石油化工鋼儲罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(行標(biāo)SH/T3068-2007，下同)對一般儲罐環(huán)墻基礎(chǔ)設(shè)計(jì)進(jìn)行比較研究；分析了罐壁底端傳給環(huán)墻頂端的豎向線分布荷載標(biāo)準(zhǔn)值gk、儲罐重量、介質(zhì)高度、介質(zhì)重度、環(huán)墻高度以及構(gòu)造要求對環(huán)墻厚度的影響，有助于通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低環(huán)墻厚度。同時比較兩種規(guī)范計(jì)算儲罐環(huán)墻基礎(chǔ)單位高度的環(huán)向力設(shè)計(jì)值的差異，并給出建議計(jì)算方法。通過一個鋼儲罐基礎(chǔ)的工程實(shí)例，驗(yàn)證了建議方法的適用性和正確性。

1 環(huán)墻基礎(chǔ)厚度確定

鋼制儲罐環(huán)墻式基礎(chǔ)與一般建構(gòu)筑物基礎(chǔ)有很大的區(qū)別。一般建構(gòu)筑物上部荷載都是通過基礎(chǔ)傳遞和擴(kuò)散到地基上的，基礎(chǔ)是建構(gòu)筑物不可缺少的一部分。然而鋼儲罐的荷載大部分不是通過環(huán)墻基礎(chǔ)傳遞給地基，而是通過環(huán)墻基礎(chǔ)內(nèi)罐底填料墊層直接傳遞給地基。環(huán)墻式基礎(chǔ)作為儲罐罐壁與地基的連接體，承受著儲罐罐壁、罐壁上附屬構(gòu)件、罐頂(不包括浮頂罐的浮頂)、罐壁外的保溫材料以及環(huán)墻頂上小部分介質(zhì)的荷載。鋼筋混凝土環(huán)墻基礎(chǔ)能很好的約束環(huán)墻基礎(chǔ)內(nèi)各層壓密的墊層，使各層壓密墊層形成的圓柱形彈性塊體能與環(huán)墻共同工作，承受并傳遞上部罐體的全部荷載。

1.1 按國標(biāo)GB 50473-2008計(jì)算環(huán)墻厚度

當(dāng)儲罐罐壁位于環(huán)墻頂面時，儲罐環(huán)墻基礎(chǔ)厚度計(jì)算公式是根據(jù)環(huán)墻底部壓強(qiáng)P1和環(huán)墻內(nèi)側(cè)同一水平地基土壓強(qiáng)P2相等標(biāo)準(zhǔn)值的條件推導(dǎo)得來的。儲罐環(huán)墻基礎(chǔ)剖面如圖1所示。

圖1 儲罐環(huán)墻基礎(chǔ)剖面

(1)

(2)

P2=γLhL+γmh

(3)

由式(1)～式(3)推導(dǎo)出規(guī)范環(huán)墻基礎(chǔ)厚度b計(jì)算公式(4.1.2)如下：

(4)

式中：b為環(huán)墻厚度(m)；gk為罐壁底端傳至環(huán)墻頂端的豎向線分布荷載標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)為浮頂罐時，僅為罐壁的重量(包括保溫層)，當(dāng)為固定頂罐(包括內(nèi)浮頂罐)時，應(yīng)為罐壁和罐頂?shù)闹亓?包括保溫層)(kN/m)；β為罐壁深入環(huán)墻頂面寬度系數(shù)，可取0.4～0.6，宜取0.5；γc為環(huán)墻的重度(kN/m3);γL為罐內(nèi)使用階段儲存介質(zhì)的重度(kN/m3);γm為環(huán)墻內(nèi)各層填料的平均重度(kN/m3);hL為環(huán)墻頂面至罐內(nèi)最高儲液面高度(m)；h為環(huán)墻高度(m)。

1.2 按行標(biāo)SH/T 3068-2007計(jì)算環(huán)墻厚度

根據(jù)行標(biāo)SH/T3068-2007第6.1.1條，可知環(huán)墻基礎(chǔ)厚度計(jì)算公式與國標(biāo)GB50473-2008第4.1.2條相應(yīng)計(jì)算公式一致，都只考慮正常操作階段工況下環(huán)墻厚度。

1.3 環(huán)墻厚度影響因素

通過分析公式(4)，可知環(huán)墻厚度與gk、γL、hL、h等參數(shù)有關(guān)。當(dāng)其他條件不變時，罐壁底端傳至環(huán)墻頂端的豎向線分布荷載標(biāo)準(zhǔn)值gk值越小，環(huán)墻厚度b越??；儲存介質(zhì)的重度γL越大，環(huán)墻厚度b越??；最高儲液面高度hL越大，環(huán)墻厚度b越?。画h(huán)墻高度h越小，環(huán)墻厚度b越小。而不是我們常規(guī)認(rèn)為儲存介質(zhì)的重度γL越大，最高儲液面高度hL越大，儲罐基礎(chǔ)底面處的平均壓應(yīng)力值越大時環(huán)墻厚度越大。因?yàn)榄h(huán)墻基礎(chǔ)厚度計(jì)算公式是根據(jù)環(huán)墻底部壓強(qiáng)P1和環(huán)墻內(nèi)側(cè)同一水平地基土壓強(qiáng)P2相等條件推得，所以當(dāng)鋼儲罐條件一定時，γL和hL越小時，P2就越小，gk不變，要使P1=P2，必然要增大環(huán)墻厚度；當(dāng)介質(zhì)重度γL接近零的極端情況，計(jì)算得出環(huán)墻罐基礎(chǔ)應(yīng)為圓形大板基礎(chǔ)。

2 環(huán)墻基礎(chǔ)單位高度環(huán)向力設(shè)計(jì)值

2.1 按國標(biāo)GB 50473-2008計(jì)算

環(huán)墻單位高度的環(huán)向力設(shè)計(jì)值可分充水試壓和正常使用兩種工況。

2.1.1 充水試壓工況

充水試壓時，可按下式計(jì)算：

(5)

式中：Ft為環(huán)墻單位高度的環(huán)向力設(shè)計(jì)值(kN/m);γQW、γQm為水、環(huán)墻內(nèi)各層填料自重分項(xiàng)系數(shù)，γQW可取1.1，γQm可取1.2；γW、γm為水的重度、環(huán)墻內(nèi)各層填料的平均重度(kN/m3)，γW可取9.8，γm宜取18.0；hW為環(huán)墻頂面至罐內(nèi)最高儲水面高度(m)；K為側(cè)壓力系數(shù)，一般地基可取0.33，軟土地基可取0.5；R為環(huán)墻中心線半徑(m)。

2.1.2 正常使用工況

正常使用時，可按下式計(jì)算：

(6)

式中：Ft為環(huán)墻單位高度環(huán)向力設(shè)計(jì)值(kN/m);γQL為使用階段儲存介質(zhì)分項(xiàng)系數(shù)，可取1.3；γL為使用階段儲存介質(zhì)的重度(kN/m3)hL為環(huán)墻頂面至罐內(nèi)最高儲液面高度(m)；

2.2 按行標(biāo)SH/T 3068-2007計(jì)算

環(huán)墻單位高度的環(huán)向力設(shè)計(jì)值，只考慮充水試壓情況，可按下式計(jì)算：

Ft=(γQWγWhW+γQmγmh)KR

(7)

式中：Ft為環(huán)墻單位高度的環(huán)向力設(shè)計(jì)值(kN/m);γQW、γQm為水、環(huán)墻內(nèi)各層填料自重分項(xiàng)系數(shù)，γQW可取1.1，γQm可取1.0；γW、γm為水的重度、環(huán)墻內(nèi)各層填料的平均重度(kN/m3)，γW可取9.8，γm宜取18.0；hW為環(huán)墻頂面至罐內(nèi)最高儲水面高度(m)；K為側(cè)壓力系數(shù)，一般地基可取0.33，軟土地基可取0.5；R為環(huán)墻中心線半徑(m)。

比較國標(biāo)與行標(biāo)的環(huán)墻單位高度的環(huán)向力設(shè)計(jì)值計(jì)算公式，發(fā)現(xiàn)兩本規(guī)范有幾處不同：

(1)國標(biāo)GB50473-2008分別按充水試壓和正常使用兩種工況分別考慮，取不利值；行標(biāo)SH/T3068-2007只考慮充水試壓一種工況，未考慮正常使用工況。

(2)充水試壓工況兩本規(guī)范環(huán)墻內(nèi)各層填料自重分項(xiàng)系數(shù)γQm有不同，國標(biāo)取1.2，行標(biāo)取1.0。

(3)環(huán)墻基礎(chǔ)內(nèi)側(cè)各層填料對環(huán)墻的側(cè)向土壓力，行標(biāo)按矩形分布考慮；國標(biāo)按梯形分布考慮，更符合實(shí)際應(yīng)力分布。

3 工程實(shí)例對比計(jì)算

3.1 設(shè)計(jì)條件

某工程位于延安市富縣境內(nèi)，基礎(chǔ)持力層為強(qiáng)夯壓實(shí)回填黃土地基，承載力特征值不小于200kPa。以原料儲存罐區(qū)一個容積1 040m3的鋼制儲罐為例，罐內(nèi)直徑為12.2m，罐高為10.761m，環(huán)墻頂面至罐內(nèi)最高儲液面高度為7.565m，罐內(nèi)使用階段儲存介質(zhì)的重度為6.72kN/m3，儲罐凈重為580kN，使用階段操作重為6493kN，充水試壓階段總重為10 950kN，儲罐底板厚11mm、直徑12.324m，水重度取9.8kN/m3，環(huán)墻重度為25kN/m3，環(huán)墻頂面高出地面0.7m，環(huán)墻基礎(chǔ)埋深1.0m, 環(huán)墻總高度1.7m，環(huán)墻內(nèi)各層填料的平均重度18kN/m3, β取0.5。

3.2 環(huán)墻厚度計(jì)算

根據(jù)GB50473-2008和SH/T3068-2007進(jìn)行計(jì)算。

儲罐底板重 ：

環(huán)墻頂端的豎向線分布荷載標(biāo)準(zhǔn)值：

環(huán)墻基礎(chǔ)厚度：

據(jù)儲罐條件，儲罐凈重荷載不是很大，儲存介質(zhì)的重度也只有6.72kN/m3，為什么按規(guī)范公式計(jì)算環(huán)墻厚度接近1m。

通過計(jì)算環(huán)墻基礎(chǔ)底面和環(huán)墻基礎(chǔ)內(nèi)側(cè)同一水平處壓強(qiáng)：

P2=6.72×7.565+18×1.7=81.44 kPa

可以看出P1=P2遠(yuǎn)小于地基土承載力200kPa，由于儲罐需要預(yù)埋地腳螺栓，根據(jù)地基土地質(zhì)條件，儲罐條件以及過往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)環(huán)墻式儲罐基礎(chǔ)只要不出現(xiàn)不均勻變形，一般不會影響儲罐的正常使用。故本儲罐根據(jù)構(gòu)造要求環(huán)墻厚度取0.65m時，P1=87.07kPa，P2=81.44kPa，基礎(chǔ)底面兩處壓應(yīng)力雖略有差別，但是仍然遠(yuǎn)小于地基承載力，能夠滿足鋼儲罐正常使用要求，故環(huán)墻厚度取0.65m是可行的。

3.3 環(huán)墻單位高度環(huán)向力計(jì)算

3.3.1 根據(jù)國標(biāo)GB50473-2008計(jì)算

(1)充水試壓時。

(2)正常使用時。

3.3.2 根據(jù)行標(biāo)SH/T3068-2007計(jì)算

規(guī)范SH/T3068-2007只考慮充水試壓工況，

Ft= (1.1×9.8×10.761+1.0×18×1.7)×0.5×6.1=447.1 kN

常壓儲罐的儲存介質(zhì)的重度都是小于10kN/m3石化產(chǎn)品以及類似介質(zhì)，通過以上實(shí)例計(jì)算可知充水試壓工況環(huán)墻基礎(chǔ)的環(huán)向力較為不利。兩本規(guī)范計(jì)算公式組合系數(shù)略有不同，填料層側(cè)向壓力計(jì)算公式不同(梯形分布和矩形分布)。環(huán)墻側(cè)向土壓力梯形分布更接近真實(shí)情況，且兩種計(jì)算公式環(huán)向力計(jì)算誤差只有9.1 %，都能夠保證儲罐使用階段的正常安全運(yùn)行。根據(jù)過往經(jīng)驗(yàn)以及土壓力分布狀態(tài)，本文建議按照GB50473-2008《鋼制儲罐地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求計(jì)算基礎(chǔ)環(huán)向力。

4 結(jié)語及建議

(1)通過研究兩本規(guī)范儲罐環(huán)墻厚度計(jì)算公式，可知環(huán)墻厚度取決于儲罐重量、環(huán)墻頂面至罐內(nèi)最高儲液面高度、罐內(nèi)使用階段儲存介質(zhì)的重度、環(huán)墻高度等影響因素，分別降低儲罐重量、增加介質(zhì)重度、增加介質(zhì)高度、減小環(huán)墻高度都有助于降低環(huán)墻厚度。介質(zhì)重度越輕，介質(zhì)高度越小，環(huán)墻厚度反而增大，不是我們常規(guī)認(rèn)為介質(zhì)的重度越大，介質(zhì)高度越大，儲罐基礎(chǔ)底面處的平均壓應(yīng)力值越大時環(huán)墻厚度越大。因此，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行儲罐環(huán)墻設(shè)計(jì)時要對計(jì)算公式原理，基地應(yīng)力分布以及地基地質(zhì)條件進(jìn)行深入分析，使得設(shè)計(jì)的罐基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)合理，安全適用。

(2)當(dāng)儲罐儲存介質(zhì)重度很小，且罐基礎(chǔ)底面平均附加應(yīng)力遠(yuǎn)小于地基承載力時，可以適當(dāng)減小環(huán)墻厚度。這樣環(huán)墻基礎(chǔ)更為經(jīng)濟(jì)合理，且不會影響儲罐的正常使用。

(3)通過對規(guī)范公式理論分析和工程實(shí)例計(jì)算，GB50473-2008《鋼制儲罐地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算環(huán)墻基礎(chǔ)的環(huán)向力采用的各層填料墊層側(cè)壓力分布更符合實(shí)際情況。

[1]GB50473—2008 鋼制儲罐地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].

[2]SH/T3068—2007 石油化工鋼儲罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].

[3]HG/T20643—2012化工設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定 [S].

TU470+.2

A

[定稿日期]2017-06-09

龔安蘇(1982～)，男，碩士，工程師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究工作。