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。

1 某項(xiàng)目高位臥式容器資料

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

2 基礎(chǔ)、支墩及埋深大小預(yù)設(shè)

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。

3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及PKPM建模計(jì)算

3.1 載荷計(jì)算

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。

3.2 風(fēng)荷載計(jì)算

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。

3.3 地震作用計(jì)算

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。

4 荷載組合計(jì)算

4.1 正常操作狀態(tài)下載荷組合

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。

4.2 充水試壓狀態(tài)下載荷組合

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

4.3 地震作用狀態(tài)下載荷組合

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。

5 荷載分類、計(jì)算、輸入及對(duì)比

5.1 荷載分類

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 荷載計(jì)算

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

6 配筋結(jié)果展示

《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。

7 后處理結(jié)果展示

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。

7.1 周期比

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)。

7.2 剪重比

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。

7.3 層間位移角

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。

8 結(jié)語

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。