賈桂敬 甄 軍 渠 強(qiáng) 中海油石化工程有限公司 濟(jì)南 250101

對(duì)于結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，在其它基本變量恒定的情況下，作用分項(xiàng)系數(shù)的不同取值直接決定了結(jié)構(gòu)可靠度水平的高低。在化工裝置建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如果能做到針對(duì)不同的工況和實(shí)際的工藝操作條件，基于結(jié)構(gòu)構(gòu)件目標(biāo)可靠指標(biāo)β值，合理取用適度的作用分項(xiàng)系數(shù)值，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將獲得較好的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。《鋼制儲(chǔ)罐地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]GB 50473-2008第3.3.4條、《石油化工球罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]SH/T 3062-2017第5.4.2條均規(guī)定：在正常操作時(shí)，罐內(nèi)儲(chǔ)液作用效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)為1.3。上述兩標(biāo)準(zhǔn)對(duì)儲(chǔ)罐/球罐儲(chǔ)液標(biāo)準(zhǔn)值的取值方法雖未作出詳細(xì)的說(shuō)明，但可以推斷出此處分項(xiàng)系數(shù)的取值是基于儲(chǔ)液的操作液位最大值確定的，而不是按照設(shè)計(jì)液位給出的數(shù)值。在實(shí)際工程中，存在以最高的設(shè)計(jì)液位來(lái)確定儲(chǔ)液標(biāo)準(zhǔn)值，而儲(chǔ)液重量作用分項(xiàng)系數(shù)仍然取1.3的工程案例。如此的設(shè)計(jì)方法，理論上是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，?jīng)濟(jì)上也是不合理的。

1 儲(chǔ)罐儲(chǔ)液重量標(biāo)準(zhǔn)值的取值依據(jù)及原則

1.1 儲(chǔ)罐工況及儲(chǔ)液作用屬性分析

1.1.1 化工裝置的有界作用

有界作用是指具有不能被超越的且可確切或近似掌握界限值的作用。結(jié)構(gòu)上的作用隨時(shí)間變化的規(guī)律一般采用隨機(jī)過(guò)程的概率模型進(jìn)行描述，當(dāng)有充分觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，作用的標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)最不利作用概率分布的某個(gè)統(tǒng)計(jì)特征確定；對(duì)有明確界限值的有界作用，作用的標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)取其界限值。

化工工程結(jié)構(gòu)的許多作用，其作用值由于受到工藝條件的限制而具有不能被超越的界限值，例如儲(chǔ)罐儲(chǔ)液的最高設(shè)計(jì)液位、敞口容器的物料儲(chǔ)存高度、操作工況下容器中的設(shè)計(jì)液位重、試驗(yàn)工況水壓試驗(yàn)的水重、水池內(nèi)滿水重、安裝檢修工況的額定起吊重量等。根據(jù)有界作用的特點(diǎn)，有界作用的概率統(tǒng)計(jì)不能選用經(jīng)典的概率模型，應(yīng)選用截尾概率分布類型。

1.1.2 儲(chǔ)罐操作工況分析

《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]GB 50341-2014給出了儲(chǔ)罐操作液位和設(shè)計(jì)液位的定義，見(jiàn)圖1。

Vmax——最大儲(chǔ)存容量； V1——正常操作殘留容量；V2——有效操作容量； V3——預(yù)留保護(hù)容量； h0——罐底板上表面；h1——最低操作液位； h2——正常操作液位； h3——設(shè)計(jì)液位； h4——罐壁頂部

根據(jù)圖1儲(chǔ)罐容量與液位關(guān)系可知：

(1)儲(chǔ)罐有效操作容量為正常操作液位與最低操作液位之間的容量。儲(chǔ)液操作液位是一個(gè)變化的范圍，一般情況下，儲(chǔ)液達(dá)到該液位的最高液位時(shí)，儲(chǔ)罐工藝設(shè)計(jì)要求自控系統(tǒng)作出報(bào)警和聯(lián)鎖反應(yīng)，即儲(chǔ)罐儲(chǔ)液操作液位是可控的，但存在超越的概率。因此，不同時(shí)段操作液位最大值為隨機(jī)變量，符合常見(jiàn)可變作用的概率特征，屬于無(wú)界作用。

(2)儲(chǔ)罐最大儲(chǔ)存容量為儲(chǔ)存介質(zhì)液面達(dá)到設(shè)計(jì)液位時(shí)的容量。儲(chǔ)液設(shè)計(jì)液位是極限罐容液位，此液位的儲(chǔ)液重量作為儲(chǔ)罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的作用標(biāo)準(zhǔn)值是可控且不可超越的，屬于有界作用。

1.2 儲(chǔ)罐儲(chǔ)液重量作用標(biāo)準(zhǔn)值的取值分析

當(dāng)儲(chǔ)罐儲(chǔ)液重量作用標(biāo)準(zhǔn)值按照儲(chǔ)罐正常操作的最高液位(圖1中h2)取值時(shí)，則儲(chǔ)罐地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)執(zhí)行現(xiàn)行儲(chǔ)罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定。

當(dāng)儲(chǔ)罐儲(chǔ)液重量作用標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)設(shè)計(jì)液位(圖1中h3)取值時(shí)，符合《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[4]GB50068-2018第5.2.6條，對(duì)有明確界限值的有界作用，作用的標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)取其界限值的規(guī)定。

1.3 儲(chǔ)罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的荷載條件

當(dāng)前行業(yè)的儲(chǔ)罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，工藝或管道專業(yè)向結(jié)構(gòu)專業(yè)提出的荷載條件，一般沒(méi)有區(qū)分操作液位和設(shè)計(jì)液位對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)液重量，結(jié)構(gòu)專業(yè)對(duì)此也是模糊的，僅僅將儲(chǔ)液重量作為可變作用，按照現(xiàn)行儲(chǔ)罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，主導(dǎo)專業(yè)的荷載提資，對(duì)于分別具有不同概率特征的操作液位和設(shè)計(jì)液位應(yīng)分別提出罐容重量。

2 儲(chǔ)罐儲(chǔ)液重量的作用分項(xiàng)系數(shù)

2.1 作用分項(xiàng)系數(shù)與結(jié)構(gòu)可靠度的關(guān)系

作用分項(xiàng)系數(shù)是概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的最基本特征，在以概率理論為基礎(chǔ)、以分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法中，將結(jié)構(gòu)可靠度的目標(biāo)要求分解到各分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)取值中，作用的標(biāo)準(zhǔn)值通過(guò)分項(xiàng)系數(shù)與結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)β建立了對(duì)應(yīng)關(guān)系，這些分項(xiàng)系數(shù)代替了可靠指標(biāo)β，反映了隨機(jī)性作用與結(jié)構(gòu)可靠度的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

作用分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)根據(jù)作用的概率分布和統(tǒng)計(jì)參數(shù)及規(guī)定的可靠指標(biāo)通過(guò)計(jì)算分析確定，在化工工程結(jié)構(gòu)中可根據(jù)裝置實(shí)際的工藝操作狀況并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)采用不同的值。作用(包括永久作用、可變作用等)分項(xiàng)系數(shù)取值越高，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)置水平也就越高。

2.2 儲(chǔ)罐重量可變作用標(biāo)準(zhǔn)值的概率特性分析

現(xiàn)行儲(chǔ)罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范均將儲(chǔ)罐儲(chǔ)液重量視為可變作用，但儲(chǔ)液可變作用屬性不同于普通的可變作用，主要區(qū)別是儲(chǔ)罐儲(chǔ)液重量的標(biāo)準(zhǔn)值并非基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的樣本函數(shù)按照設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年內(nèi)最大荷載概率分布的某個(gè)分位值確定的，而是根據(jù)儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)、工藝生產(chǎn)及控制聯(lián)鎖的實(shí)際情況得出的作用標(biāo)準(zhǔn)值。

對(duì)應(yīng)于操作液位的標(biāo)準(zhǔn)值，液位變化的最大值具有概率的某些特征，其超越概率是由連鎖的延遲或切斷物料入口的延遲所造成；對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)液位的標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)于某個(gè)具體的設(shè)備，是一個(gè)固定值，因此屬于有界作用的范疇，不具有概率分布的特征。

2.3 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于有界可變作用分項(xiàng)系數(shù)的取值規(guī)定

對(duì)于有界作用的分項(xiàng)系數(shù)，在《石油化工建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[5]GB 51006-2014中有明確的規(guī)定：當(dāng)正常操作工況下，可變荷載采用極限值時(shí)，分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)取1.0。

2.4 儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)液位標(biāo)準(zhǔn)值與分項(xiàng)系數(shù)取值分析

有額定限值的可變作用，取其額定限值作為標(biāo)準(zhǔn)值。本文以常見(jiàn)可變作用標(biāo)準(zhǔn)值的超越概率為基準(zhǔn)，對(duì)儲(chǔ)罐儲(chǔ)液設(shè)計(jì)液位重量標(biāo)準(zhǔn)值的超越概率進(jìn)行對(duì)比分析，從而推斷該液位重量作用分項(xiàng)系數(shù)。

儲(chǔ)罐儲(chǔ)液重量的分項(xiàng)系數(shù)的取值是否滿足既定的可靠指標(biāo)，關(guān)鍵是看儲(chǔ)罐儲(chǔ)液重量的標(biāo)準(zhǔn)值的超越概率，即經(jīng)過(guò)分析判斷得到儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)液位重量作用效應(yīng)的超越概率，與常規(guī)可變作用的概率特性進(jìn)行比對(duì)，判斷可靠度水平的高低。

目前的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)作用標(biāo)準(zhǔn)值最大值概率分布分位值的百分位無(wú)規(guī)定要求，但根據(jù)ISO2394的核心思想，儲(chǔ)罐儲(chǔ)液標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的作用效應(yīng)的超越概率不大于5%時(shí)，儲(chǔ)罐基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)則可以達(dá)到現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的可靠指標(biāo)。

為什么具有限值特性的可變作用的分項(xiàng)系數(shù)可認(rèn)定為γQ=1.0呢？一般情況下，作用的標(biāo)準(zhǔn)值Qk=μ+1.645σ=μ(1+1.645δ)，作用標(biāo)準(zhǔn)值的確定方法見(jiàn)圖2。

根據(jù)圖2可以看出：對(duì)于常規(guī)可變作用，作用標(biāo)準(zhǔn)值的超越概率為5%時(shí)，滿足目標(biāo)可靠指標(biāo)要求的可變作用分項(xiàng)系數(shù)γQ=1.5。

圖2 作用標(biāo)準(zhǔn)值確定方法

對(duì)于具有限值特性的設(shè)計(jì)液位的儲(chǔ)罐儲(chǔ)液重量標(biāo)準(zhǔn)值，儲(chǔ)罐運(yùn)行時(shí)大于該標(biāo)準(zhǔn)值的超越概率已趨近于0，因此可以推斷，設(shè)計(jì)液位的儲(chǔ)罐儲(chǔ)液重量作用的分項(xiàng)系數(shù)將小于常規(guī)可變作用的分項(xiàng)系數(shù)，此時(shí)儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)可靠度水準(zhǔn)將大于常規(guī)可變作用的可靠度水準(zhǔn)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，并參考GB 51006關(guān)于具有限值特性作用的分項(xiàng)系數(shù)的取值規(guī)定，儲(chǔ)罐儲(chǔ)液重量作用的分項(xiàng)系數(shù)可取γQ=1.0(最小值為1.0)。

如果設(shè)計(jì)液位的儲(chǔ)液重量作為永久作用進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，其分項(xiàng)系數(shù)也可取值1.0，其機(jī)理亦同上述分析。

2.5 基于GB50068-2018標(biāo)準(zhǔn)的儲(chǔ)罐操作液位重量作用分項(xiàng)系數(shù)取值分析

GB50068-2018的目標(biāo)可靠指標(biāo)與2001年版本相比，指標(biāo)未作調(diào)整，但作用分項(xiàng)系數(shù)卻已往高處進(jìn)行了調(diào)整，儲(chǔ)罐儲(chǔ)液基礎(chǔ)設(shè)計(jì)作用效應(yīng)基本組合的作用分項(xiàng)系數(shù)是否予以跟隨調(diào)整呢？由于儲(chǔ)罐儲(chǔ)液操作液位的最大值的變化幅度極小，已近似固定值，其變異系數(shù)較小，因此對(duì)儲(chǔ)罐基礎(chǔ)可靠指標(biāo)的影響就較低。根據(jù)本文的分析以及儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的特性，不建議跟隨調(diào)整，保持1.3即可。

3 儲(chǔ)罐儲(chǔ)液作用分項(xiàng)系數(shù)的不同取值對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的影響分析

3.1 承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的影響

作用效應(yīng)基本組合的作用分項(xiàng)系數(shù)決定了結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度水平的高低，其取值的高低對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果及結(jié)構(gòu)可靠度均有影響。例如，對(duì)環(huán)墻式儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的環(huán)墻的強(qiáng)度設(shè)計(jì)有影響，特別是位于樓層上的儲(chǔ)罐，對(duì)整體結(jié)構(gòu)，包括基礎(chǔ)構(gòu)件都將產(chǎn)生較大的影響。分項(xiàng)系數(shù)的取值水平直接決定了材料用量的多少和設(shè)計(jì)作品經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)的高低。

3.2 正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的影響

因?yàn)檎Ｊ褂脴O限狀態(tài)的驗(yàn)算不屬于概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的范疇，其作用效應(yīng)的組合設(shè)計(jì)值不牽扯到作用分項(xiàng)系數(shù)。如構(gòu)件的變形驗(yàn)算、混凝土構(gòu)件的抗裂度或裂縫控制、地基承載力驗(yàn)算(確定基礎(chǔ)面積)、確定樁(強(qiáng)樁)的數(shù)量等均與儲(chǔ)罐儲(chǔ)液重量分項(xiàng)系數(shù)的取值大小沒(méi)有關(guān)系。

4 儲(chǔ)罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)依“設(shè)計(jì)液位”進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)證

當(dāng)儲(chǔ)罐的操作液位和設(shè)計(jì)液位相差較小時(shí)，儲(chǔ)罐儲(chǔ)液重量標(biāo)準(zhǔn)值依據(jù)操作液位取值，其余設(shè)計(jì)內(nèi)容執(zhí)行現(xiàn)有儲(chǔ)罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定；當(dāng)上述兩個(gè)液位相差較大時(shí)，應(yīng)再以儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)液位的儲(chǔ)液重量作為標(biāo)準(zhǔn)值，其基本組合取其分項(xiàng)系數(shù)1.0進(jìn)行儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的補(bǔ)充復(fù)核驗(yàn)算。

《結(jié)構(gòu)上的作用-第4部分：筒倉(cāng)和儲(chǔ)罐》[6]EN 1991-4:2006第3.5條“儲(chǔ)罐內(nèi)液體設(shè)計(jì)工況”也提出了應(yīng)按照操作液位、設(shè)計(jì)液位兩種不同工況液位分別進(jìn)行儲(chǔ)罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)在正常操作工況下進(jìn)行儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，儲(chǔ)液重量標(biāo)準(zhǔn)值取最高操作液位對(duì)應(yīng)的罐容重量，該標(biāo)準(zhǔn)值在作用效應(yīng)基本組合中的分項(xiàng)系數(shù)為現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定值1.3。

(2)按照設(shè)計(jì)液位的罐容進(jìn)行儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，取該液位的罐容作為儲(chǔ)液重量的標(biāo)準(zhǔn)值，該重量作用屬于有界作用，其超越概率趨近于0，按照結(jié)構(gòu)可靠度理論并根據(jù)具有限值特性的作用的特點(diǎn)，作用效應(yīng)基本組合分項(xiàng)系數(shù)可取1.0。

(3)儲(chǔ)罐基礎(chǔ)承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)宜按操作液位進(jìn)行設(shè)計(jì)，并應(yīng)按設(shè)計(jì)液位進(jìn)行復(fù)核。