常壓立式圓筒形儲罐抗震設計探討

張瑞松 浙江省天正設計工程有限公司 杭州 310012

在化工儲運設計中，常壓立式圓筒形儲罐是非常常見的一種儲運設備。對于結構專業而言，儲罐的設計工作量主要體現在儲罐的基礎設計上，現行國家或行業標準中關于常壓立式圓筒形儲罐抗震設計的規范主要有《構筑物抗震設計規范》GB 50191 -93、 《石油化工構筑物抗震設計規范》SH/T 3147 -2004、 《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》GB 50341 -2003。由于上述三個規范在適用范圍以及計算方法上有一定的共性，而計算的結果卻存在差異，導致土建投資存在差異，有時甚至差異很大。本文針對常壓立式圓筒形儲罐的抗震設計，對比分析上述三個規范存在的不同點，提出相關的建議。

1 各規范的適用范圍

1.1 《構筑物抗震設計規范》

適用于抗震設防烈度為6 度至9 度地區的構筑物抗震設計。該規范為結構專業適用的中華人民共和國國家標準。

1.2 《石油化工構筑物抗震設計規范》

適用于抗震設防烈度6 度至9 度地區的石油化工構筑物抗震設計。該規范為結構專業適用的中華人民共和國石油化工行業標準。

1.3 《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》

適用于儲存石油、化工產品及其他類似液體的常壓(包括微內壓)立式圓筒形鋼制焊接油罐的設計。該規范為設備專業適用的中華人民共和國國家標準。其中該規范規定油罐抗震計算適用于罐壁高度與直徑比不大于1.6，且容積不小于100m3的常壓立式圓筒形鋼制平底油罐的抗震計算。

2 儲罐的水平地震作用計算

2.1 《構筑物抗震設計規范》

《構筑物抗震設計規范》規定的儲罐總水平地震作用按下列公式計算:

式中，FEk為儲罐的總水平地震作用標準值;α1為相應于儲罐與儲液耦合振動基本自振周期的水平地震影響系數值，應按規范第5.1.5 條規定確定，對于公稱容積小于10000m3的儲罐，可采用水平地震影響系數最大值(按抗震計算水準B 確定);η 為罐體影響系數，可采用1.1;mL為罐內儲液總質量，kg;g 為重力加速度，9.81m/s2;ψW為動液系數，可按表1 采用。

表1 動液系數

2.2 《石油化工構筑物抗震設計規范》

《石油化工構筑物抗震設計規范》規定的儲罐總水平地震作用按下列公式計算:

式中，FEk為儲罐的總水平地震作用標準值;α1為相應于儲罐與儲液耦合振動基本自振周期的水平地震影響系數值，應按規范第7 章有關規定確定，對于公稱容積小于10000m3的儲罐，可采用水平地震影響系數最大值;η 為罐體影響系數，可采用1.1;m1為罐內儲液總質量，kg;g 為重力加速度，9.81m/s2;ψW為動液系數，可按表2 采用。

表2 動液系數

2.3 《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》

《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》規定的罐壁底部水平地震剪力按下列公式計算:

式中，Q0為在水平地震作用下，罐壁底部的水平剪力(MN);Cz為綜合影響系數，取0.4;α 為地震影響系數，根據T 值及反應譜特征周期Tg 及地震影響系數最大值αmax按圖D.3.1 采用，對于公稱容積小于10000m3的儲罐可取αmax;Y1為罐體影響系數，取1.1;g 為重力加速度，9.81m/s2;m1為儲罐內儲液總量，kg;Fr為動液系數，由徑高比按表3 選取，中間值按插入法計算。

表3 動液系數

2.4 對比分析

從上述三個規范計算儲罐的總水平地震作用標準值的公式來看，各規范的罐體影響系數、儲罐內儲液總量以及動液系數是完全一致的。僅水平地震影響系數存在比較大的差異。以7 度0.10g地區，儲罐公稱容積小于10000m3的儲罐為例，比較它們之間的差異:

《建筑抗震設計規范》規定7 度0.10g 地區在多遇地震、設防地震、罕遇地震下水平地震影響系數最大值分別為0.08、0.22、0.50。

《構筑物抗震設計規范》規定α1值按抗震計算水準B 確定，取α1=0.25。

《石油化工構筑物抗震設計規范》規定α1值采用水平地震影響系數最大值，取α1=0.08。

《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》規定地震影響系數采用水平地震影響系數最大值，取α =0.23，乘以綜合影響系數Cz=0.4 以后，α =0.23×0.4 =0.092。

從上述分析結果來看，《石油化工構筑物抗震設計規范》以多遇地震作為儲罐設計的抗震設防第一水準; 《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》以設防地震作為儲罐設計的抗震設防第一水準，乘以綜合影響系數Cz=0.4 以后相當于還是以多遇地震作為儲罐設計的抗震設防第一水準，但安全等級提高至一級;而《構筑物抗震設計規范》相當于以設防地震作為儲罐設計的抗震設防第一水準。這對儲罐的基礎設計特別是軟弱地基上的樁基設計有非常大的影響，在地震烈度為7 度及以上地區，按照《構筑物抗震設計規范》和《石油化工構筑物抗震設計規范》分別設計樁基，在樁基規格、數量相同的情況下，樁基的數量會分別因為由單樁水平承載力特征值和單樁豎向承載力特征值控制而產生很大的差異。

3 總水平地震作用對罐壁底部產生的彎矩計算

3.1 《構筑物抗震設計規范》

《構筑物抗震設計規范》規定的總水平地震作用標準值對罐壁底部產生的彎矩，應按下式計算:

式中，M1為總水平地震作用對罐壁底部產生的彎矩，N·m;ξ 為地震效應折減系數，可采用0.40;FEk為儲罐的總水平地震作用標準值，N;hW為儲液的高度，m。

3.2 《石油化工構筑物抗震設計規范》

《石油化工構筑物抗震設計規范》規定的總水平地震作用對罐基礎頂部產生的彎矩標準值，應按下式計算:

式中，M1為總水平地震作用對罐基礎產生的彎矩標準值，N·m;FEk為儲罐的總水平地震作用標準值;hW為儲液的高度，m。

3.3 《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》

《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》規定的罐壁底部的地震彎矩應按下式計算:

式中，M1為總水平地震作用在油罐底部所產生的地震彎矩，MN·m;Q0為在水平地震作用下，罐壁底部的水平剪力，MN;hW為油罐設計最高液位，m。

3.4 對比分析

從上述三個規范計算總水平地震作用標準值對罐壁底部產生的彎矩的公式來看，各規范計算公式中液位的高度是完全一致的。儲罐的總水平地震作用標準值卻存在比較大的差異，而總水平地震作用標準值的差異實際就是水平地震影響系數的差異。以7 度0.10g 地區，儲罐公稱容積小于10000m3的儲罐為例，比較它們之間的差異(以《石油化工構筑物抗震設計規范》計算的總水平地震作用對罐基礎產生的彎矩標準值為基準M1石化規):

《構筑物抗震設計規范》計算的彎矩值為(0.25 ×0.4)/0.08 M1石化規=1.25M1石化規;

《石油化工構筑物抗震設計規范》計算的彎矩值為M1石化規;

《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》計算的彎矩值為0.092/0.08 M1石化規=1.15M1石化規。

從上述計算結果來看， 《構筑物抗震設計規范》、《石油化工構筑物抗震設計規范》、《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》關于總水平地震作用標準值對罐壁底部產生的彎矩有差異，但差異不大。且彎矩值對結構基礎設計不起控制作用，對土建投資的影響不大。其中《構筑物抗震設計規范》和《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》之間一個比較大的區別是《構筑物抗震設計規范》將地震效應折減系數(ξ =0.4)放在彎矩的計算公式內，而《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》綜合折減系數(Cz=0.4)放在水平地震剪力計算公式內，造成上述兩種規范水平地震剪力計算值的差異很大，而彎矩計算值的差異較小。

4 建議

(1)《建筑抗震設計規范》要求按技術標準設計的所有房屋建筑均應達到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防目標，即三個設防水準。

第一水準——多遇地震，50年超越概率63%。結構彈性變形，可正常使用;

第二水準——設防地震，50年超越概率10%。結構彈塑性小變形，可修復;

第三水準——罕遇地震，50年超越概率2% ～3%。結構彈塑性大變形，不倒塌。

而《構筑物抗震設計規范》要求在設防地震作用下結構保持彈性變形，可正常使用，要求比較高。因此建議《構筑物抗震設計規范》以多遇地震作為儲罐設計的抗震設防第一水準，這樣既可以與《建筑抗震設計規范》的抗震設計理念相匹配，又可以與《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》的抗震設防水準相匹配?？紤]到儲罐的重要性、安全性要求較高，可以考慮通過提高儲罐的抗震設防的分類標準來達到目的。

(2)建議《構筑物抗震設計規范》、《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》中的地震影響系數最大值與《建筑抗震設計規范》中的地震影響系數最大值相統一。保證規范之間的協調統一。

1 GB 50191 -93，構筑物抗震設計規范［S］. 北京:中國計劃出版社，1993.

2 SH/T 3147 -2004，石油化工構筑物抗震設計規范［S］.北京:中國石化出版社，2005.

3 GB 50341 - 2003，立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范［S］. 北京:中國計劃出版社，2003.

4 GB 50011 -2010，建筑抗震設計規范［S］. 北京:中國建筑工業出版社，2010.