許超洋

(中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州 510620)

我國是世界上地震活動最強烈的國家之一，具有震區(qū)分布廣、地震頻度高、強度大、震源淺等特點。20世紀以來，根據(jù)地震儀器記錄資料統(tǒng)計，我國已發(fā)生6級以上地震700多次，其中7.0～7.9級地震近100次，8級及8級以上地震11次。2008年汶川地震后，中石化抗震技術中心站組織對震區(qū)石化企業(yè)進行了系統(tǒng)性的地震災害調(diào)研，其中靜設備震害特點如下：

1) 浮放臥式設備與支腿式設備整體移位。

2) 高聳煙囪整體斷裂、塔器的地腳螺栓被拉長或拉斷、球罐的拉桿被拉長、支柱地腳螺栓被剪斷、支柱產(chǎn)生位移等。

3) 設備的移位導致相連管線斷裂。

4) 外浮頂油罐因浮盤出現(xiàn)大振幅晃動而不同程度地發(fā)生冒油、導向管彎曲、罐頂平臺和轉(zhuǎn)動扶梯損壞等現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計，地震發(fā)生時，除因石化設備倒塌造成部分人員傷亡外，大部分人員傷亡是因為設備破壞造成易燃介質(zhì)的火災、爆炸以及有毒介質(zhì)擴散造成的二次災害。

從2007年起，規(guī)范組開展了多項專題研究工作，在調(diào)查總結國內(nèi)外石化靜設備震害并考慮我國經(jīng)濟條件和工程實踐的基礎上，對原SH 3048—1999(以下簡稱SH 3048)《石油化工鋼制設備抗震設計規(guī)范》【1】進行全面改版，明確了設備本體的抗震設防目標，并升級為國家標準，于2012年發(fā)布GB 50761—2012《石油化工鋼制設備抗震設計規(guī)范》【2】，2018年又對該標準進行了修訂，并發(fā)布GB/T 50761—2018《石油化工鋼制設備抗震設計標準》【3】。

GB/T 50761—2018(以下簡稱GB/T 50761)明確了石化靜設備的抗震設防目標與重要度分類， 給出了新的抗震設計反應譜，明確了各類設備的地震作用調(diào)整系數(shù)與結構阻尼比、許用應力的取值、抗震計算載荷組合以及相關的抗震構造措施等。本文簡要敘述GB/T 50761標準編制相關背景、相關條款的演變歷程與現(xiàn)狀，并對標準發(fā)展提出展望。因加熱爐的抗震設計基本沿用了現(xiàn)行GB 50011—2010【4】(以下簡稱GB 50011)《建筑抗震設計規(guī)范》中的極限狀態(tài)法，因此，本文主要針對容器和儲罐等石化靜設備進行分析。

1 抗震設防與設計計算

1.1 抗震設防目標與重要度分類

石化靜設備的結構體系相對于建筑結構較為簡單，其主要抗震抗力系統(tǒng)由設備本體、支撐構件和錨固結構構成。地震發(fā)生時，設備本體的損壞會導致設備爆炸或介質(zhì)泄漏，而支撐構件和錨固結構的損害會導致設備倒塌并拉斷相連管線，進而導致介質(zhì)泄漏。因石化靜設備大都盛裝易燃易爆、有毒有害介質(zhì)，一旦介質(zhì)泄漏，所帶來的次生災害極為嚴重，故其抗震設防目標比普通建筑結構要求更高。區(qū)別于現(xiàn)行國家標準GB 50011規(guī)定的 “小震不壞、中震可修、大震不倒” 3個水準抗震設防目標，GB/T 50761為石化靜設備提出了單一水準的抗震設防目標，該標準第1.0.3條規(guī)定：“按本標準進行抗震設計的石油化工設備，當遭受相當于本地區(qū)抗震設防烈度的設防地震影響時，設備本體、支撐構件和錨固結構不應損壞?！笨拐鹪O防烈度即為50年超越概率10%的基準地震。即GB/T 50761的抗震設防目標相當于“中震作用下，主體抗力系統(tǒng)不發(fā)生破壞”?？拐鹪O防目標通過抗震計算以及抗震構造措施來實現(xiàn)。各標準的抗震設防目標如表1所示。

GB/T 50761根據(jù)石油化工設備的特點、規(guī)格、介質(zhì)、用途和受地震破壞后的危害程度等將設備抗震重要度類別劃分為4類，分類原則是參考美國《Guidelines for Seismic Evaluation and Design of Petrochemical Facilities》【5】和日本MITI Notification No.515【6】，并結合了我國TSG 21—2016(以下簡稱TSG 21)《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》【7】壓力容器分類、AQ 3053—2015《立式圓筒形鋼制焊接儲罐安全技術規(guī)范》【8】儲罐分類，同時考慮高聳設備的危害性以及消防用途設備的特殊性確定的。各類標準的抗震重要度分類、重要度系數(shù)及相關準則如表2所示。GB 50223—2008(以下簡稱GB 50223)【9】、GB 50453—2008(以下簡稱GB 50453)【10】對建筑物或構筑物進行抗震設防分類時，通過調(diào)整設防烈度和抗震構造措施體現(xiàn)其重要度分類，而GB/T 50761僅用抗震重要度系數(shù)調(diào)整不同類別設備的地震作用，各類別的設備構造措施僅與其支撐結構類型相關。

表1 抗震設防目標對比

表2 抗震重要度分類

1.2 地震作用

目前,國內(nèi)外抗震設計標準通常采用彈性反應譜理論和R-μ基本準則的抗震設計方法。其設計思想為：設防地震作用下，結構已進入彈塑性振動，需將設防地震作用水準降到設計采用的相對低的地震作用水準，并通過彈性分析保證結構在地震下的非彈性效應不超過其承載能力【11】。不同國家對于強度折減系數(shù)稱謂不同，如美國ASCE7-10稱為結構反應修正系數(shù)R(Response Modification Coefficient)，歐盟的EN 1998-4:2006(以下簡稱EN 1998-4)【12】則稱為性能系數(shù)q(behavior factor)。不同結構體系采用不同的強度折減系數(shù)【13】。

GB 50011《建筑抗震設計規(guī)范》從1959年至今歷經(jīng)多個版本，64版規(guī)范開始引入結構影響系數(shù)C；78版規(guī)范中明確結構影響系數(shù)C反映強震作用下實際結構與理論單質(zhì)點彈性體系間的差異，其影響因素包括結構形式、結構的塑性變形、結構的阻尼、非承重構件的抗震作用、地基變形等，不同的結構采用不同結構影響系數(shù)，其范圍為0.25～0.50，校核方法為許用應力法；89版規(guī)范直接改用對應于小震(即多遇地震，50年超越概率63%)的地震影響系數(shù)進行彈性分析，然后采用極限狀態(tài)法進行效應校核，相當于結構影響系數(shù)為0.35～0.37，且與結構類型、阻尼比無關【13】；2001和2010版規(guī)范沿用了基于多遇地震的極限狀態(tài)分析方法，但考慮到結構抗震耗能效果差異，在對不同結構進行不同部位的抗震驗算時，引入不同承載力抗震調(diào)整系數(shù)，同時為了體現(xiàn)抗震設計中多道設防和強柱弱梁原則，又引入局部結構地震作用折減系數(shù)。

我國石化靜設備的地震作用主要參考《建筑抗震設計規(guī)范》。我國現(xiàn)行的NB/T 47041—2014(以下簡稱NB/T 47041)《塔式容器》【14】、NB/T 47042—2014(以下簡稱NB/T 47042)《臥式容器》【15】、GB/T 12337—2014(以下簡稱GB/T 12337)《鋼制球型儲罐》【16】等產(chǎn)品標準中的抗震設計計算基本沿用了GB 50011—2001基于多遇地震的地震影響系數(shù)，但仍采用許用應力法并且沒有體現(xiàn)設防目標、重要度分類、抗震構造措施等內(nèi)容。SH 3048、GB/T 50341—2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范》【17】沿用了78版建筑抗震規(guī)范基于設防地震(中震)乘以結構綜合影響系數(shù)Kz的彈性分析方法。而GB/T 50761在SH 3048的基礎上，將結構綜合影響系數(shù)Kz修改為地震作用調(diào)整系數(shù)RE，以設防地震為基準，考慮結構的彈塑性耗能，用地震作用調(diào)整系數(shù)RE將設防地震作用折減，再乘以設備的抗震重要度系數(shù)η，同時，對設備進行線彈性分析，并對設備應力進行驗算，許用應力需乘以抗震許用應力調(diào)整系數(shù)KL。此外，還明確了各類支撐結構設備的阻尼比的取值，該取值體現(xiàn)了支撐結構的差異性。計算地震影響系數(shù)時，采用阻尼比所對應的修正系數(shù)對阻尼比為0.05的標準地震譜進行修正。地震作用調(diào)整系數(shù)對比如表3所示。因立式圓筒形儲罐為罐壁支撐，沒有獨立的支撐結構，故地震作用調(diào)整系數(shù)RE相對于其他支撐結構設備略小。裙座式直立設備的多振型影響已單獨考慮，故取值與其他支撐設備保持一致。但石化靜設備的地震作用調(diào)整系數(shù)普遍比基于GB 50011的等效地震作用調(diào)整系數(shù)高，這主要是考慮到：1)石化靜設備的抗震設防水準比建筑結構設防水準要高；2)石化靜設備的結構抗力系統(tǒng)相對比較單一，缺乏多道防御體系，冗余度較低，結構延性較差，在強震作用下的耗能能力不如建筑結構。

表3 地震作用調(diào)整系數(shù)對比

以7度0.1g設防地震烈度的地震影響系數(shù)最大值0.23為例，對各類設備在不同標準下的地震影響系數(shù)計算值進行對比分析。裙座式直立設備地震作用對比如表4所示。由表4可見：NB/T 47041相比SH 3048，當阻尼比較小時，地震作用基本持平，當阻尼比較大時，地震作用則降低了約22%；而GB/T 50761與SH 3048相比,阻尼比較大時，地震作用基本持平，當阻尼比較小時，地震作用則提高了約28%。臥式設備地震作用對比如表5所示。由表5可見：NB/T 47042相比SH 3048，地震作用降低了約22%；而GB/T 50761與SH 3048相比,地震作用基本持平。球型儲罐地震作用對比如表6所示。由表6可見：GB/T 12337相比SH 3048，地震作用降低了約14%；而GB/T 50761與SH 3048相比,地震提高了約11%。圓筒形儲罐標準GB/T 50341因地震作用調(diào)整系數(shù)與SH 3048綜合影響系數(shù)相同，且罐液耦聯(lián)阻尼比為0.05，故地震作用基本持平?？梢姡壳八?、臥式容器、球型儲罐等產(chǎn)品設計標準的地震作用普遍比SH 3048低，達不到SH 3048抗震設防水準。而GB/T 50761地震作用略高于SH 3048, 整體抗震可靠性優(yōu)于其他標準，滿足抗震設防目標，并符合經(jīng)濟發(fā)展后對抗震安全性更高的國情需求。

表4 裙座式直立設備地震作用對比

表5 臥式設備地震作用對比

表6 球型儲罐地震作用對比

1.3 抗震載荷組合與許用應力

鑒于目前壓力容器與儲罐設計標準仍普遍采用許用應力法，故地震作用與其他載荷作用效應仍采用許用應力法的評定方式?？紤]到風載荷(50年一遇)與設防地震發(fā)生的概率極低，風載荷組合系數(shù)取值0.25。雪載荷則主要作用于球罐、儲罐等承載面較大的設備。

類似GB 50011中的承載力調(diào)整系數(shù)，GB/T 50761明確了抗震許用應力調(diào)整系數(shù)KL，設備本體以及本體與支撐構件連接焊縫取值為1.2，支撐結構件取值為1.33。設備本體比支撐構件以及錨固附件的抗震許用應力調(diào)整系數(shù)稍低，主要是考慮了如下因素： 1)設備本體抗震安全性要求更高；2)地震是偶然作用，結構的可靠度可比承受其他靜力載荷作用時要求低。錨栓(地腳螺栓)抗震設計許用應力取值較低且不考慮調(diào)整系數(shù)，主要是考慮以下影響因素：1)錨栓計算方法相對粗糙，難以精確計算其承受載荷；2)地震載荷屬于動力載荷，地震發(fā)生時，錨栓經(jīng)常處于超載狀態(tài)；3)單個錨栓拉斷，可能使設備傾覆倒塌，從而產(chǎn)生較大的次生載荷；4)設備在役過程中，對錨栓的檢驗頻率相對較低，損壞后不易更換與維修，且錨栓造價相對便宜【18】。

2 抗震體系設計與構造措施

結構抗震的經(jīng)驗表明：結構的體系與細部構造的優(yōu)劣對震害輕重有決定性影響。因此抗震措施除抗震計算外，還包括體系設計與構造措施等。參考建筑結構抗震構造措施 “避免脆性破壞，加強延性；強柱弱梁，強節(jié)點弱構件” 的基本思想，GB/T 50761在第3.3條對設備的體系設計(包括設備布置、結構以及材料等方面)提出了詳細要求。同時針對每種支撐結構的特點，提出了一系列構造措施，如：1)地腳螺栓最小個數(shù)以及防松動措施，支座與本體焊接牢固，與罐體連接的進、出口管線采用柔性連接要求；2)球罐拉桿松緊應適度，拉桿交叉處不宜焊死等。

以直立式設備的地腳螺栓為例，它對設備與基礎起到三重作用：其一是連接作用，使上下結構得以共同工作，并防止設備在地震時發(fā)生滑移、傾倒或拋出；其二是傳力作用，使作用于設備的外力通過地腳螺栓傳給基礎，使地震力反饋到地面的傳遞路線不致中斷，減少或避免上部結構(或設備)地震損壞的積累效應；其三是如果設計得合理，可利用螺栓在地震作用下的變形和螺栓座蓋板因受彎屈服所產(chǎn)生的塑性耗能作用，使傳遞給設備本體的地震作用得以折減，對設備起到保護作用。由于地腳螺栓和螺栓座的強度主要是由地震作用或風載荷來決定的，因此，合理地利用螺栓座蓋板的塑性耗能作用也是防止或減輕地腳螺栓震害的有效措施，在抗震設計時，其許用應力的安全裕度小于地腳螺栓，不宜過度強調(diào)增加蓋板的厚度。

3 GB/T 50761的發(fā)展展望

3.1 地震動及反應譜

GB 50011和GB/T 50761均以設防烈度作為地震危險性的宏觀衡量尺度，為使用方便，將一定區(qū)間的地面地震動峰值加速度取一個設計值作為設計基本地震加速度，與設防烈度相對應的設計基本地震加速度只能成倍地跳躍，而實際的地面地震動峰值加速度是連續(xù)變化的，故采用設防烈度很難實現(xiàn)抗震設計的精細化?；诜勒饻p災法，目前大部分石化工程項目都需進行地震安全性評價，而地震安全性評估報告通常以實測地面地震動峰值加速度表征地震動。目前歐美等國抗震設計標準都已實現(xiàn)直接用地面地震動峰值加速度表征地震動。

GB 50011和GB/T 50761中地震設計反應譜中的動力放大系數(shù)最大值βmax均為 2.25。而GB 18306—2015【19】附錄F中明確地震影響系數(shù)的最大值為設計基本地震加速度的2.5倍。目前歐美等國的地震譜動力放大系數(shù)都已調(diào)整為2.5。故有必要調(diào)整βmax至2.5。

各國抗震設計加速度反應譜骨架基本相似，通常由“上升段、平臺段以及下降段”組成，其中下降段又分為速度控制段和位移控制段。當結構自振周期T(單位：s)足夠大(即柔性夠大)時，結構的振動位移與地面地震位移保持一致，故歐美儲罐抗震設計標準EN 1998-4、API 650—2020(以下簡稱API 650)【20】均采用斜率為(1/T2)的下降段作為長周期反應譜的位移段。GB/T 50761在實驗的基礎上將GB 50011長周期反應譜自振周期從6 s延長到15 s，并引入調(diào)整系數(shù)KV，使所計算的儲罐晃動波高數(shù)值與JIS B8501保持吻合【3】，但對于晃動周期大于或等于10 s的大型LNG儲罐，基于GB/T 50761計算的晃動波高仍普遍高于歐美儲罐抗震設計標準 EN 1998-4與API 650，因此有必要進一步開展適用于LNG儲罐長周期反應譜的研究。

3.2 多級抗震設防

目前的GB 50011采用兩階段設計法來實現(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”3個水準的設防要求。通過抗震強度驗算，滿足第一水準“小震不壞”；輔助構造措施滿足第二水準“中震可修”；對于剛度、質(zhì)量、尤其是實際屈服強度明顯不均勻的結構或特殊重要結構，則基于罕遇地震的彈塑性變形進行驗算，以達到第三水準“大震不倒”的設防要求。同樣，在核電抗震設計規(guī)范以及國外低溫儲罐抗震設計標準(如API 625—2014【21】、EN 14620-1：2006【22】中都提出了如OBE(Operating-Basis Earthquake)、SSE(Safety Shutdown Earthquake)等多水準設防要求。而目前GB/T 50761僅為單一設防水準，且缺乏強震作用下薄弱層變形驗算方法。隨著石化裝置的大型化，出現(xiàn)了大量的大型復雜組合結構以及高溫、高壓、深冷等石化靜設備，故有必要逐步引入多級抗震設防理念，確?？拐鹪O防的可靠性。

3.3 極限狀態(tài)法

目前石化靜設備普遍采用單一安全系數(shù)的許用應力法，許用應力校核時引入抗震許用應力調(diào)整系數(shù)，相當于將包括地震在內(nèi)的所有載荷效應均乘以了地震作用調(diào)整系數(shù)，并且對強度與屈曲等不同失效模式未予區(qū)分，很難真實地體現(xiàn)其安全可靠性。目前GB 50011等抗震設計標準均引入了基于可靠性與概率論理論的極限狀態(tài)法，并明確了多種抗震載荷組合。國外壓力容器設計標準(如歐盟EN 13445-3： 2009【23】、美國ASME Ⅷ-2【24】)均引入極限狀態(tài)法及相應的抗震載荷組合。因此有必要參考國內(nèi)外建筑結構載荷規(guī)范、抗震設計規(guī)范，形成適合我國國情的基于極限狀態(tài)法的石化設備抗震設計方法及載荷組合。

4 結語

本文從抗震設防目標、重要度分類、地震作用調(diào)整系數(shù)、抗震載荷與許用應力、抗震體系設計與構造措施等方面對GB/T 50761標準進行了系統(tǒng)的分析與對比，總結出基于GB/T 50761的石化靜設備抗震設計具備以下特點：

1) 明確了設防目標為“中震作用下，主體抗力系統(tǒng)不發(fā)生破壞”，同時根據(jù)石化靜設備地震中次生災害的影響進行了抗震重要度類別劃分并賦予相應的抗震重要度系數(shù)；

2) 以設防地震為基準，考慮結構的彈塑性耗能，采用地震作用調(diào)整系數(shù)RE將設計地震彈性譜折減，并乘以設備的抗震重要度系數(shù)η后，再對設備進行線彈性分析，并對設備應力進行驗算，許用應力均需乘以抗震許用應力調(diào)整系數(shù)KL；

3) GB/T 50761地震作用略高于SH 3048, 整體抗震可靠性優(yōu)于其他產(chǎn)品標準，符合抗震設防目標；

4) 提出了基于石化靜設備結構特點的抗震體系設計和構造措施要求。

本文還結合國內(nèi)外其他標準的發(fā)展，從地震動參數(shù)與反應譜、多級設防、極限狀態(tài)法設計方面對GB/T 50761的發(fā)展提出展望。鑒于石化靜設備地震中失效的巨大危害性，有必要借鑒國內(nèi)外建筑結構抗震設計的先進思想，不斷完善和提升我國石化靜設備抗震技術水平。