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        球罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件SPCAD的開發(fā)與應(yīng)用

        2018-08-23 05:34:54金微
        建材與裝飾 2018年37期
        關(guān)鍵詞:球罐支墩支柱

        金微

        (中石化上海工程有限公司 上海 200120)

        1 概況

        球罐為大容量、承壓的球形儲(chǔ)存容器,無論在石油石化行業(yè)還是在城市燃?xì)庑袠I(yè),球罐均有非常廣泛的應(yīng)用,因此相關(guān)行業(yè)的專業(yè)設(shè)計(jì)院經(jīng)常需要對(duì)球罐以及球罐基礎(chǔ)開展設(shè)計(jì)工作。球罐基礎(chǔ)屬于特種構(gòu)筑物范疇,無法使用常見的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件,設(shè)計(jì)人員通常采用手算方式,計(jì)算繁瑣工作量較大,耗費(fèi)時(shí)間較多,設(shè)計(jì)效率不高。在這種背景之下,開發(fā)一種針對(duì)球罐基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件很有必要性。

        圖1 常見球罐示意圖

        球罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件SPCAD(以下簡(jiǎn)稱SPCAD軟件)是根據(jù)最新版《石油化工球罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SH/T3062-2017)[1]、《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(SH3147-2014)[2]、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)[5]以及《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-2008)[6]等規(guī)范編制的球罐基礎(chǔ)CAD軟件,能滿足一般工程上的球罐基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)需要,實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)輸入到施工圖的全部計(jì)算機(jī)化。

        2 SPCAD軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        為方便以后計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟硬件的升級(jí),SPCAD軟件采用Microsoft Visual Studio 2010開發(fā)平臺(tái),支持中文操作系統(tǒng):WINDOWS XP、WINDOWS 7等各版本以及AutoCAD R14及以上for WINDOWS(32/64位)各版本的繪圖系統(tǒng)。

        2.1 軟件設(shè)計(jì)流程

        通常在進(jìn)行球罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí),先根據(jù)設(shè)備條件輸入球罐的相關(guān)信息,包括球罐直徑、罐體中心高度、支腿截面信息、以及設(shè)備計(jì)算重量(包括設(shè)備空重、操作重量、充水重量、附加重量等),同時(shí)根據(jù)基礎(chǔ)計(jì)算的需要,確定基礎(chǔ)方案(天然地基或樁基)并輸入相對(duì)應(yīng)的地基信息、風(fēng)荷載及地震荷載信息,才可開始計(jì)算。

        根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路,SPCAD共分為六個(gè)子菜單,子菜單界面采用選項(xiàng)卡的形式,選項(xiàng)卡以及每個(gè)選項(xiàng)卡內(nèi)的具體內(nèi)容,即圖2、圖3、圖4所示。

        圖2 SPCAD程序選項(xiàng)卡內(nèi)容

        圖3 SPCAD程序主要內(nèi)容概要一

        圖4 SPCAD程序主要內(nèi)容概要二

        2.2 主要模塊說明

        由上述流程圖可見,SPCAD程序?qū)⑶蚬拊O(shè)備信息以及基礎(chǔ)方案信息輸入整合后進(jìn)行基礎(chǔ)計(jì)算,實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)錄入到施工圖全過程自動(dòng)化。

        2.2.1 基本數(shù)據(jù)

        基本數(shù)據(jù)輸入包括通用信息,風(fēng)、地震數(shù)據(jù),材料信息??蓪㈨?xiàng)目設(shè)計(jì)中的設(shè)備位號(hào)、所在區(qū)域風(fēng)荷載地震荷載信息以及擬采用的基礎(chǔ)形式,基礎(chǔ)混凝土等級(jí)、鋼筋牌號(hào)等內(nèi)容全部輸入在此選項(xiàng)卡內(nèi)。

        2.2.2 設(shè)備信息

        設(shè)備信息主要包含球罐幾何參數(shù)、設(shè)備自振周期、設(shè)備荷載。其中設(shè)備自振周期提供了兩種輸入模式,一種為根據(jù)輸入的設(shè)備鋼支腿截面尺寸以及拉桿與支柱中心線交點(diǎn)處的標(biāo)高進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算,得到球罐的自振周期;另一種即為用戶自定義周期,不再額外計(jì)算。

        2.2.3 地基、基礎(chǔ)信息

        地基及基礎(chǔ)信息需要輸入地坪標(biāo)高、基礎(chǔ)底標(biāo)高、基礎(chǔ)中心圓直徑等,天然地基計(jì)算時(shí)需要的地基土承載力特征值(修正前)、用于承載力修正的土層重度以及土體類別,以及用于基礎(chǔ)沉降計(jì)算的土層壓縮模量等。

        此外,根據(jù)基本數(shù)據(jù)中用戶選擇的基礎(chǔ)類型,天然地基或樁基礎(chǔ)還需輸入對(duì)應(yīng)的參數(shù)(天然地基又分為獨(dú)立淺基礎(chǔ)和環(huán)形淺基礎(chǔ)兩種形式)。選擇天然地基形式時(shí),軟件界面會(huì)提供球罐支墩的截面尺寸,獨(dú)立基礎(chǔ)的長(zhǎng)寬比或環(huán)形基礎(chǔ)最小寬度的數(shù)據(jù)。當(dāng)樁基形式被選擇時(shí),需要輸入的參數(shù)除了球罐支墩的截面尺寸之外,還需要單樁承載力特征值、樁直徑、樁長(zhǎng)、樁間距和樁邊距等??紤]到實(shí)際工程中,設(shè)計(jì)人員可能會(huì)根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)先預(yù)估好天然地基的尺寸或采用多少根樁,SPCAD程序可提供自動(dòng)計(jì)算基礎(chǔ)信息和已知基礎(chǔ)進(jìn)行驗(yàn)算兩種模式,供用戶選擇應(yīng)用。

        2.2.4 施工圖

        完成前三項(xiàng)的輸入后可調(diào)用核心計(jì)算模塊,即可輸出繪制施工圖所需要的參數(shù),同時(shí),施工圖選項(xiàng)卡內(nèi)還需添加地腳螺栓信息、連梁信息用于繪圖。計(jì)算輸出的基礎(chǔ)(承臺(tái))配筋結(jié)果、短柱墩配筋結(jié)果均可顯示在界面上,供用戶根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及項(xiàng)目實(shí)際情況進(jìn)行修改。修改完畢后重新生成繪圖數(shù)據(jù),用于AutoCAD自動(dòng)繪圖。

        2.2.5 計(jì)算書

        SPCAD可提供TXT和Word兩種版本的計(jì)算書,供用戶按需選擇。

        2.2.6 幫助菜單

        程序開發(fā)依據(jù)、基本原理、軟件操作等內(nèi)容的詳細(xì)說明,可供用戶查閱。

        3 SPCAD主要算法及功能

        球罐計(jì)算流程中主要分為上部計(jì)算和基礎(chǔ)計(jì)算兩部分。

        上部計(jì)算中風(fēng)荷載計(jì)算參考球罐規(guī)范[1]和荷載規(guī)范[3],地震荷載計(jì)算參考構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[2],這兩種計(jì)算較普通建筑物并無太大區(qū)別,球罐計(jì)算獨(dú)特之處主要有以下兩點(diǎn):

        3.1 球罐自振周期計(jì)算

        球罐自振周期主要用于球罐所受風(fēng)荷載以及地震荷載的導(dǎo)算。一般由設(shè)備專業(yè)提供,當(dāng)缺少相關(guān)條件的時(shí)候,SPCAD可根據(jù)球罐規(guī)范[1]自動(dòng)計(jì)算周期。見圖5和下列公式計(jì)算:

        圖5 球罐立面計(jì)算簡(jiǎn)圖

        式中:T——球罐結(jié)構(gòu)的基本自振周期,s;

        K——球罐構(gòu)架的側(cè)移剛度,N/mm;

        K1——球罐構(gòu)架的彎曲剛度,N/mm;

        K2——球罐構(gòu)架的剪變剛度,N/mm;

        KC、A、C1、C2、λC——計(jì)算參數(shù)或系數(shù);

        n——支柱根數(shù);

        Es——支柱的常溫彈性模量,N/mm2;

        Ac——支柱的截面面積,mm2;

        DB——支柱中心圓直徑,mm;

        Ds——球罐的內(nèi)直徑,mm;

        Hc——支柱底板底面至球罐中心的高度,mm;

        H1——支柱的有效高度,mm;

        H2——支柱底板底面至拉桿與支柱中心線交點(diǎn)處的距離,mm;

        L——相鄰兩支柱間的距離,mm;

        Ic——單根支柱截面的慣性矩,mm4;

        LW——支柱與球殼之間(一側(cè))焊縫垂直投影長(zhǎng)度的一半,mm;

        dc——支柱外徑,mm;

        θ——拉桿的仰角,℃;

        AB——拉桿的截面面積,mm2;

        meq——球罐在操作狀態(tài)下的等效質(zhì)量,kg。

        3.2 球罐單個(gè)支墩頂面荷載效應(yīng)計(jì)算

        球罐一般為偶數(shù)個(gè)支腿,球罐的總重量以及作用于罐體中心點(diǎn)的總水平力和總地震力需要分?jǐn)偟矫恳粋€(gè)支墩頂面,才能進(jìn)行下一步的基礎(chǔ)計(jì)算,這也是一般設(shè)計(jì)人員感到麻煩的地方。根據(jù)球罐規(guī)范[1]SPCAD程序可自動(dòng)計(jì)算傳至單個(gè)支墩頂面的豎向力和水平力,并根據(jù)球罐規(guī)范[1]和荷載規(guī)范[2]進(jìn)行荷載組合,選出最不利工況。

        3.2.1 豎向力計(jì)算

        單個(gè)支墩頂面的豎向力由重力荷載產(chǎn)生的豎向力和作用于球罐中心的水平荷載在單個(gè)支墩頂面產(chǎn)生的豎向力兩部分組成。下列公式中的荷載,用于正常使用極限狀態(tài)計(jì)算時(shí),應(yīng)采用荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合、準(zhǔn)永久組合;用于承載能力極限狀態(tài)計(jì)算時(shí),應(yīng)采用荷載效應(yīng)的基本組合。

        不同狀態(tài)下重力荷載產(chǎn)生的豎向力按下式計(jì)算:

        式中:F′——重力荷載在基礎(chǔ)單個(gè)支墩頂面產(chǎn)生的豎向力值,kN;

        作用于球罐中心的風(fēng)荷載或地震作用,在單個(gè)支墩頂面產(chǎn)生的豎向力按下列各式計(jì)算:

        式中:Fi——作用于球罐中心的風(fēng)荷載或地震作用,在基礎(chǔ)單個(gè)支墩頂面產(chǎn)生的豎向力,kN;

        FEW——作用于球殼中心的風(fēng)荷載或地震作用,kN,風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按FWK取用,地震作用標(biāo)準(zhǔn)值按FEK取用;

        HC——支柱底板底面至球罐中心的高度,m;

        R——支柱中心圓半徑,m;

        θi——支柱方位角,按式(15)、(16)計(jì)算。

        圖6 球罐平面計(jì)算簡(jiǎn)圖(A向)

        圖7 球罐平面計(jì)算簡(jiǎn)圖(B向)

        圖8 球罐平面計(jì)算簡(jiǎn)圖(B向)

        (1)當(dāng)A方向受力時(shí)支柱的方位角:

        (2)當(dāng)B方向受力時(shí)支柱的方位角:

        注:i表示支柱在0~360°范圍的順序號(hào)。

        3.2.2 水平力計(jì)算

        傳至基礎(chǔ)單個(gè)支墩頂面的水平剪力,其值等于支柱底端拉桿的軸力在拉桿平面內(nèi)產(chǎn)生的水平分力值(見圖8所示),可利用幾何關(guān)系,間接由拉桿作用在相鄰支柱上產(chǎn)生的豎向力求出。

        單個(gè)支墩頂面的水平剪力,按下列各式計(jì)算。i-1支柱所在的支墩頂面剪力Qi-1的方向,作用在拉桿所在的平面內(nèi),當(dāng)Fi-j為壓力時(shí),Qi-1指向i支柱,反之相反。

        式中:

        Qi-1——單個(gè)支墩頂面的水平剪力,kN;

        Fi-j——j拉桿作用在i支柱上產(chǎn)生的豎向力值,kN;

        H2——支柱底板底面至拉桿與支柱中心線交點(diǎn)處的距離,m;

        θj——拉桿j的方位角,按式(19)、(20)計(jì)算。

        (1)當(dāng)A方向受力時(shí)拉桿j的方位角:

        (2)當(dāng)B方向受力時(shí)拉桿j的方位角:

        注:i=j+1,j=0,1,2,3……。

        在已求得球罐基礎(chǔ)頂面受力情況下,混凝土基礎(chǔ)的計(jì)算過程較為常規(guī),即在計(jì)算地基承載力或樁基承載力時(shí)采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合;在進(jìn)行基礎(chǔ)抗沖切、抗剪、抗彎等計(jì)算時(shí)采用荷載的基本組合;在進(jìn)行沉降計(jì)算時(shí)采用準(zhǔn)永久組合。SPCAD程序在計(jì)算過程中會(huì)識(shí)別各組合的類型,自動(dòng)判斷是否適合當(dāng)前的計(jì)算內(nèi)容,并依據(jù)混凝土規(guī)范[4]、建筑地基規(guī)范[5]、樁基規(guī)范[6]中的對(duì)應(yīng)條文完成基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工作。

        4 小結(jié)

        球罐基礎(chǔ)的開發(fā)工作已經(jīng)基本完成,目前正在測(cè)試過程中,預(yù)計(jì)今年即可用于實(shí)際設(shè)計(jì)工程中。SPCAD程序的應(yīng)用可自動(dòng)計(jì)算或驗(yàn)算球罐基礎(chǔ)是否滿足規(guī)范要求,可提供word或txt版本的計(jì)算書并自動(dòng)繪制基礎(chǔ)施工圖,大大地縮短了設(shè)計(jì)周期,提高了設(shè)計(jì)效率。我們也希望隨著軟件越來越多地應(yīng)用于實(shí)際工程,SPCAD程序也將更加完善,更好的服務(wù)于球罐工程設(shè)計(jì)。

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