姚天琪
(中國石化工程建設(shè)有限公司,北京 100101)
由于原油處理量增加,新工藝的要求也相應(yīng)增加,因此臥式容器的規(guī)模增大,放置高度也不斷增加,高位臥式容器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)非常常見。首先,該設(shè)計(jì)要滿足給定的工藝條件要求,例如設(shè)備自重、介質(zhì)密度以及支座條件等,在設(shè)計(jì)中還必須考慮場(chǎng)地的環(huán)境溫度、風(fēng)荷載、地震荷載以及雪荷載地基條件等?,F(xiàn)有的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)只能處理確定的基礎(chǔ)選型,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單,缺少對(duì)高位臥式容器基礎(chǔ)的規(guī)定。該文將選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件,并結(jié)合上述各種因素,探索一種安全、適用、經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方式。
基本風(fēng)壓:0.4km/m2;地面粗糙度B類,抗震設(shè)防烈度:7度;設(shè)計(jì)基本加速度值:0.1g,設(shè)計(jì)地震分組:第一組;場(chǎng)地類別為II類,水平地震影響最大值0.08。裝置地面絕對(duì)標(biāo)高±0.000m≈32.700m。高位臥式容器設(shè)備資料如圖1所示。
圖1 臥式容器示意圖
設(shè)備自重(含隔熱層,附加管線重)38000kg,介質(zhì)質(zhì)量30000kg,充水質(zhì)量40000kg,操作溫度50℃,支座間距L1為6800mm,支座底板尺寸a=1580mm,b=240mm,K1=1380mm,K2=120mm。相對(duì)標(biāo)高:A=100mm,B=5612mm,C=7000mm。從以上設(shè)備資料可知,該設(shè)備為高位臥式容器。針對(duì)該設(shè)備,采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件PKPM建立混凝土框架基礎(chǔ)來支撐該單體。臥式容器在充水工況中豎向力最大,但對(duì)較高的門式支架型基礎(chǔ)來說并非控制工況,其控制因素主要為設(shè)備軸向水平荷載。該文只分析設(shè)備軸向正常操作工況及地震工況兩種工況及相關(guān)的彈性力擦力風(fēng)荷載及地震作用。圖2為常用建模軟件PDMS中的三維模型,該圖真實(shí)地還原了支墩基礎(chǔ)與臥式容器間的關(guān)系,可見基礎(chǔ)短柱遠(yuǎn)高于地面,設(shè)備的滑動(dòng)端與固定端位于基礎(chǔ)短柱的支座梁上。
圖2 高位臥式容器PDMS三維模型
在PKPM建模的過程中,可將設(shè)備荷載均布置在支座梁上,如圖3所示。
圖3 設(shè)備支座梁均布荷載示意圖
基礎(chǔ)底板長度:a=3500mm、底板寬度:b=3500mm,基礎(chǔ)支墩長度:c=500mm,基礎(chǔ)支墩寬度:d=1700mm,基礎(chǔ)底板厚度:h1=600mm,基礎(chǔ)埋置深度:h2=2000mm,支墩頂面高出地面的高度:h3=5512mm,設(shè)備中心距支墩頂面高度:h4=7000-5612=1388mm,底板保護(hù)層:as1=40mm,底板有效度:hbo=560mm,支墩保護(hù):as2=30mm,支墩截面有效高度:hzo=470mm,支墩長度:Lo=h2+h3-h1=6912mm,鞍座間距:L=6800mm。
設(shè)備荷重及基礎(chǔ)自重計(jì)算如下。
基礎(chǔ)及其上土重(單個(gè)支墩):Gjk=a×b×h2×20+c×d×h3×25=607kN。
單個(gè)支墩自重:Gjk=c×d×Lo×25=0.5×1.7×6.912×25=146.88kN。
根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1]8.2條文的規(guī)定,容器X向體型系數(shù):μsx=1.3,容器Y向體型系數(shù):μsy=0.7。
風(fēng)壓高度變化系數(shù):μz=0.89?;撅L(fēng)壓:Wo=0.4kN/m2。容器X向擋風(fēng)面積:Awx=π×(2.276/2)2=4.1m2。容器Y向擋風(fēng)面積:Awy=9.684×2.276=22m2。
容器中心標(biāo)高處X向風(fēng)載:Fwx=(μsx·μz·Wo·Awx)=1.3×0.89×0.4×4.1=1.89kN。
容器中心標(biāo)高處Y向風(fēng)載:Fwy=(μsy·μz·Wo·Awx)=0.7×0.89×0.4×22=5.47kN。
只有當(dāng)處于充水試壓狀態(tài)下,風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值:0.15kN/m2。
各向風(fēng)載計(jì)算如下。
容器中心標(biāo)高處X向風(fēng)載:Fwx'=(μsx·μz·Wo·Awx)=1.3×0.89×0.15×4.1=0.71kN。
容器中心標(biāo)高處Y向風(fēng)載:Fwy'=(μsy·μz·Wo·Awx)=0.7×0.89×0.15×22=2.05kN。
地面以上基礎(chǔ)自重:
GBK=2×c×d×h3×25=234.26kN。
容器中心標(biāo)高處水平地震力:FEK=αmax×(GBK+0.5×GJK)=0.08×(700+0.5×234.26)=65.37kN。
規(guī)范中規(guī)定,當(dāng)容器內(nèi)介質(zhì)溫度小于80℃時(shí),可不必考慮介質(zhì)溫度變化產(chǎn)生的摩擦力和彈性力的影響[2],該設(shè)備操作溫度小于80℃,所以摩擦力為0。
在正常操作狀態(tài)下,基礎(chǔ)構(gòu)件的荷載效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值,應(yīng)按《石油化工冷換設(shè)備和容器基礎(chǔ)臥設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]6.1.8式計(jì)算。
支墩處的荷載情況:
滑動(dòng)端軸力如下:
Freez=1.2×Gbk1+1.2×Gjkz+0.9×(1.4×Qk1-1.4×(Fwx×))=595kN
固定端軸力如下:
Fixedz=1.2×Gbk1+1.2×Gjkz+0.9×(1.4×Qk1+1.4×(Fwx×))=597kN
滑動(dòng)端彎矩如下:
Mzfree=0.85×1.4×(Fwx/2)×(h2+h3-h1)-1.2×Ftk(h2+h3-h1)=7.79kN·m
固定端彎矩:
Mzfixed=0.85×1.4×(Fwx/2)×(h2+h3-h1)-1.2×Ftk(h2+h3-h1)=7.79kN·m
軸力:Freej=Gbk1+Gjk=350+607.13=957.13kN。
繞X軸彎矩:Mxj=0.85×(Fwy/2)×(h2+h3+h4)=20.69kN·m。
繞Y軸彎矩:Mfreej=-Ftk×(h2+h3)+0.85×(Fwx/2)(h2+h3)=-6.04kN·m。
繞Y軸彎矩:Mfixedj=Ftk×(h2+h3)+0.85×(Fwx/2)(h2+h3)=6.04kN·m。
沖水試壓狀態(tài)下,基礎(chǔ)構(gòu)件的荷載效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值,應(yīng)按照《石油化工冷換設(shè)備和容器基礎(chǔ)臥設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]6.1.9式計(jì)算。
支墩處的荷載情況如下。
滑動(dòng)端軸力:Freez=1.2×Gbk1+1.1×Gjkz+0.9×(1.4×Qk1-1.4×(Fwx×))=614kN。
固定端軸力:Fixedz=1.2×Gbk1+1.2×Gjkz+1.1×180+0.9×(1.4×Qk1+1.4×(Fwx×))=614kN。
滑動(dòng)端彎矩:Mzfixed=0.85×1.4×(Fwx/2)×(h2+h3-h1)=2.92kN·m
固定端彎矩:Mzfixed=0.85×1.4×(Fwx/2)×(h2+h3-h1)=2.92kN·m
地震作用狀態(tài)下,基礎(chǔ)構(gòu)件的荷載Mzfixed=0.85×1.4×(Fwx/2)×(h2+h3-h1)=2.92kN·m
效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值,效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值應(yīng)按照《石油化工冷換設(shè)備和容器基礎(chǔ)臥設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]6.1.10式計(jì)算。
支墩處的荷載情況如下。
滑動(dòng)端軸力:Freez=1.2×Gbk1+1.2×Gjkz-1.3Fek×=579kN
固定端軸力:Fixedz=1.2×Gbk1+1.2×Gjkz+1.3Fek×=614kN。
滑動(dòng)端彎矩:Mzfree=1.3×(Fek/2)×(h2+h3-h1)-1.2×Ftk×(h2+h3-h1)=293.7kN·m。
固定端彎矩:Mzfixed=1.3×(Fek/2)×(h2+h3-h1)-1.2×Ftk×(h2+h3-h1)=293.7kN·m。
地基承載力驗(yàn)算如下:按照該項(xiàng)目的規(guī)定,基礎(chǔ)應(yīng)座落在經(jīng)換填壓實(shí)法處理的地基土上,地基承載力特征值fak≥200kPa。
基礎(chǔ)地面的壓力可以按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]式5.2.2-2及5.2.2-3確定。
偏心距計(jì)算如下:ex=Myj/Fxj=6.04/957.13=0.01<a/6=0.58m。
基底最大壓應(yīng)力如下:Pxmax=Px+Myj/(b×a2/6)=78.13+6.04/(3.5×3.5×3.5/6)=78.95<1.2fa=240kPa。
因此,滿足要求。
臥式容器的荷載分為永久荷載和可變荷載,在PKPM軟件中荷載類型分為恒載與活載。恒載(永久荷載):1)結(jié)構(gòu)自重。2)容器及其附件的自重。3)容器及管道內(nèi)介質(zhì)的自重及保溫材料。4)平臺(tái)梯子的自重?;钶d(可變荷載):1)平臺(tái)上的活荷載。2)風(fēng)荷載。3)溫度變化在容器支撐面上產(chǎn)生的摩擦力和彈力。4)容器管道在沖水試壓狀態(tài)下的充水荷載。
預(yù)設(shè)基礎(chǔ)梁柱尺寸如下:柱距6800mm;柱長寬分別為550mm;支座梁梁寬450mm,梁高700mm;小梁梁寬200mm,梁高500mm。
5.2.1 恒載
設(shè)備空重:330+20+50=400kN ;操作總重:400+300=700kN。
5.2.2 活載
該設(shè)備操作溫度小于80℃,不考慮摩擦力。
Fwx=(μsx×μz×Wo×Awx)=1.89kN
Fwy=(μsy×μz×Wo×Awy)=0.7×0.89×0.4×22=5.47kN
充水總質(zhì)量:330+20+50+360=760kN。
梁間荷載輸入恒載。
滑動(dòng)端:579/1.38=419.5kN·m。
固定端:614/1.38=445kN·m。
每個(gè)節(jié)點(diǎn)輸入荷載(地震荷載與風(fēng)荷載):
+X向:(65.37+1.87)/4=16.8kN·m
-X向:-1.87/4=-0.5kN·m
+Y向:1.87/4=0.5kN·m
-Y向:-1.87/4=-0.5kN·m
如圖4所示,為了保證第一振動(dòng)、第二振動(dòng)一致,在長向基礎(chǔ)短柱間鉸接加入梁寬200mm,梁高500mm的混凝土小梁,小梁并不影響計(jì)算結(jié)果,實(shí)際制圖中不體現(xiàn)小梁。
圖4 高位臥式容器PKPM模型
《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]中規(guī)定擴(kuò)展基礎(chǔ)受力鋼筋最小配筋率不小于0.15%,底板受力鋼筋的最小直徑不小于10mm,間距不大于200mm,也不應(yīng)小于100mm。
基礎(chǔ)底板配筋除滿足計(jì)算和最小配筋率要求外,應(yīng)符合構(gòu)造要求。當(dāng)計(jì)算最小配筋時(shí),可對(duì)階形或錐形基礎(chǔ)截面,可將其截面折算成矩形截面,基礎(chǔ)底板鋼筋可按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]式8.2.12進(jìn)行計(jì)算。
As=
底板構(gòu)造配筋:1000×700×0.15%=1050m2
PKPM計(jì)算的基礎(chǔ)底板上下層配筋選用HRB400的鋼筋,直徑16mm,間距125mm。
在實(shí)際制圖過程中,根據(jù)實(shí)際情況,按照常見的采購鋼筋規(guī)格,基礎(chǔ)底板上下層配筋選用HRB400的鋼筋,直徑18mm,間距150mm。
柱的鋼筋配置,應(yīng)符合下列各項(xiàng)要求:柱縱向受力鋼筋的最小總配筋率應(yīng)按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]表11.4.12-1采用,同時(shí)每側(cè)配筋率不應(yīng)小于0.2%[3]。按照規(guī)定,框架結(jié)構(gòu)的柱構(gòu)造要求:550×550×0.18%=2420m2。
PKPM計(jì)算的柱配筋選用HRB400的鋼筋,16根直徑16mm的鋼筋。
根據(jù)實(shí)際情況,制圖時(shí)柱配筋選用HRB400的鋼筋,16根直徑22mm的鋼筋。
在PKPM中進(jìn)行計(jì)算,短邊梁配筋選用HRB400的鋼筋,上下層配筋分別為7 根直徑14mm和4根18mm的鋼筋。
實(shí)際制圖中,2個(gè)短邊梁進(jìn)行適當(dāng)放縮,上下層配筋均為5根20mm的鋼筋。
高位臥式設(shè)備基礎(chǔ)框架在PKPM建模后,處理結(jié)果的整體指標(biāo)需要滿足限值,這些指標(biāo)能反映結(jié)構(gòu)的整體性能。
當(dāng)程序地震反應(yīng)計(jì)算時(shí)采用陣型分解法,第一振型周期為0.8998,第二振型周期為0.5042,第三振型周期為0.4435,前2個(gè)振型為平動(dòng)振型,第三振型為扭轉(zhuǎn)振型。扭轉(zhuǎn)振型周期/第一平動(dòng)振型之比為0.49,滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[4](JGJ 3—2010)4.3.5條規(guī)定:結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一周期Tt與平動(dòng)為主的第一周期T1之比不應(yīng)大于0.9。周期比的控制不是要求結(jié)構(gòu)足夠結(jié)實(shí),而是保證結(jié)構(gòu)整體剛度分布的合理性,控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。
剪重比是指該層所承受的水平地震建立與該層重力荷載代表值的比,這是保守設(shè)計(jì)的一種,須留有足夠的安全度。根據(jù)程序計(jì)算,X方向剪重比為10.18%>3.2%;Y方向剪重比為14.65%>3.2%,均滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[5](GB 50011—2010)5.2.5條規(guī)定。
位移角是確保結(jié)構(gòu)不在風(fēng)或者地震下產(chǎn)生過大的側(cè)移,進(jìn)而保證各個(gè)構(gòu)件不產(chǎn)生裂縫。X方向最大層間位移角為1/1000<1/550,Y方向最大層間位移角為1/1805<1/550,滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[5](GB 50011—2010)6.3.6條規(guī)定。
除上述最重要的3個(gè)指標(biāo)外,還有表示結(jié)構(gòu)整體性的剛度比,受剪承載力之比、位移比和剛重比等均滿足現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,其結(jié)果不再贅述。在該案例中,設(shè)備介質(zhì)溫度小于80℃,在不考慮熱漲作用的情況下,軸向風(fēng)荷載或地震作用起控制作用,驗(yàn)算支架在設(shè)備軸向的位移角成為結(jié)構(gòu)選型的關(guān)鍵。7個(gè)模型指標(biāo)均滿足條文規(guī)范的限值,因此構(gòu)建在PKPM的高位臥式設(shè)備基礎(chǔ)模型安全且有效。該文對(duì)設(shè)計(jì)流程和要點(diǎn)進(jìn)行分析,希望為進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)的人員提供參考。