球罐水平地震力的中、美標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算差異分析

耿永豐 王 林

(合肥通用機(jī)械研究院)

由于美國標(biāo)準(zhǔn)ASME在國際上享有盛譽(yù)，被廣泛采用，國外建造的大部分球罐，業(yè)主都會(huì)要求按照ASME及相應(yīng)的美國標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。在球罐水平地震力計(jì)算方面，國際上用得最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)為UBC(Uniform Building Code)標(biāo)準(zhǔn)，但該標(biāo)準(zhǔn)已被新標(biāo)準(zhǔn)IBC(International Building Code)取代[1]。IBC為全新標(biāo)準(zhǔn)，其水平地震力的計(jì)算方法和模式與UBC完全不同，而國內(nèi)(特別是球罐行業(yè))對(duì)IBC標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)注甚少，從而在球罐水平地震力方面，該標(biāo)準(zhǔn)與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的差別和差別產(chǎn)生的影響仍是盲區(qū)。

國內(nèi)球罐的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為GB 12337《鋼制球形儲(chǔ)罐》，在水平地震力計(jì)算方面引用并參照的標(biāo)準(zhǔn)是GB 50011《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[2，3]。通過采用美國體系標(biāo)準(zhǔn)對(duì)球罐進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)美國標(biāo)準(zhǔn)IBC對(duì)水平地震力的計(jì)算與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)存在較大差異，如果國內(nèi)設(shè)計(jì)者和承建單位在初步估算報(bào)價(jià)時(shí)支柱、拉桿等附件按照國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，那么最終按照美國標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、制造時(shí)出現(xiàn)的偏差將導(dǎo)致承建單位的經(jīng)濟(jì)損失或業(yè)主對(duì)國外設(shè)計(jì)的不滿。

當(dāng)前國內(nèi)、國際建造球罐的容積大部分為1 000～5 000m3，筆者以1 000、2 000、3 000、4 000、5 000m3的丙烷球罐為例，對(duì)采用IBC標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB 50011、GB 12337計(jì)算的水平地震力進(jìn)行對(duì)比分析，供球罐設(shè)計(jì)者和國內(nèi)球罐承建單位參考。

1 計(jì)算數(shù)據(jù)

1.1 基本輸入數(shù)據(jù)

GB 12337標(biāo)準(zhǔn)和IBC標(biāo)準(zhǔn)屬于完全不同的標(biāo)準(zhǔn)，兩者在對(duì)場地土及地震基本加速度等的基本輸入?yún)?shù)的設(shè)置方面存在很大差異，筆者針對(duì)各項(xiàng)輸入數(shù)據(jù)，按照兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的取值方法進(jìn)行逐一說明：

a. 場地土(Site Class)。按照中國標(biāo)準(zhǔn)，大陸大部分的場地土為中硬場地土(剪切波速250

b. 地震參數(shù)。按照中國標(biāo)準(zhǔn)GB 50011 和GB 12337，地震烈度分為5個(gè)等級(jí)進(jìn)行計(jì)算：7度0.10g，7度0.15g，8度0.20g，8度0.30g，9度0.40g；標(biāo)準(zhǔn)考慮的最弱地震作用為7度0.10g，最強(qiáng)地震作用為9度0.40g；IBC標(biāo)準(zhǔn)按照SS和S1兩個(gè)參數(shù)將地震分為5個(gè)等級(jí)進(jìn)行計(jì)算：SS≤0.25(S1≤0.10)，SS=0.50(S1=0.20)，SS=0.75(S1=0.30)，SS=1.00(S1=0.40)，SS=1.25(S1=0.50)；標(biāo)準(zhǔn)考慮的最弱地震作用的狀況為SS≤0.25(S1≤0.10)，最強(qiáng)地震作用力的狀況為SS=1.25(S1=0.50)。

筆者針對(duì)球罐按照兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)最強(qiáng)的地震作用和最弱的地震作用進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比分析。

1.2 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

球罐的設(shè)計(jì)壓力為1.77MPa，設(shè)計(jì)溫度50℃，丙烷介質(zhì)密度為550kg/m3，球殼腐蝕裕量1.5mm，充裝系數(shù)0.9，球殼材料為Q370R，上支柱材料Q370R，下支柱材料為Q345R。

公稱容積為1 000、2 000、3 000、4 000、5 000m3的丙烷球罐的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同公稱容積的丙烷球罐的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

2 采用IBC標(biāo)準(zhǔn)的水平地震力計(jì)算

IBC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各種結(jié)構(gòu)的地震力計(jì)算大多采用按照標(biāo)準(zhǔn)ASCE7要求的方式進(jìn)行規(guī)定，從而球罐的水平地震力的計(jì)算除IBC標(biāo)準(zhǔn)本身外還需綜合采用ASCE7的第11、12和15章的相關(guān)要求[4]。

表2 參數(shù)取值

表3 球罐的自振周期

按照IBC標(biāo)準(zhǔn)，各容積球罐的地震力影響系數(shù)和水平地震力計(jì)算值見表4。

表4 按IBC標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的地震影響系數(shù)和水平地震力

(續(xù)表4)

3 采用國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的水平地震力計(jì)算

球罐設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB 12337對(duì)地震水平力的計(jì)算是參照標(biāo)準(zhǔn)GB 50011進(jìn)行的，其水平地震力為：

Fe=αmog

Ⅱ類場地土的特征周期0.35≤Tg≤0.45，則由表3可知，對(duì)于Ⅱ類場地土的1 000～5 000m3丙烷球罐地震影響系數(shù)α應(yīng)按上式進(jìn)行計(jì)算；Tg按保守取為Ⅱ類場地土第三組的特征周期，Tg=0.45；γ為衰減指數(shù)，當(dāng)阻尼比為0.035時(shí)，γ=0.929；η2為阻尼調(diào)整系數(shù)，當(dāng)阻尼比為0.035時(shí)，η2=1.11；αmax為水平地震影響系數(shù)最大值，當(dāng)?shù)卣馂?度(0.10g)時(shí)，取0.08，當(dāng)?shù)卣馂?度(0.40g)時(shí)，取0.32。

按照國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)第一條的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，各容積球罐的地震影響系數(shù)和水平地震力的計(jì)算值見表5。

表5 按國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的地震影響系數(shù)和水平地震力

如果忽略風(fēng)作用引起的水平力，僅在地震力作用下進(jìn)行拉桿等抗震件的計(jì)算，拉桿直徑及其相關(guān)件(包括耳板、翼板及松緊節(jié))的重量見表6。

表6 按國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的球罐相關(guān)參數(shù)

4 對(duì)比分析

4.1 水平地震力

對(duì)比表4、5，可以看出，按照IBC標(biāo)準(zhǔn)和按照國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)所計(jì)算得出的最大水平地震力，在各容積球罐中均相差1.30～1.90倍。二者的比值見表7。

表7 按照不同標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得出不同容積的最大水平力比值

從表7可以看到， 對(duì)于各容器球罐在最弱地震的條件下，IBC標(biāo)準(zhǔn)C類場地的水平地震力對(duì)是國內(nèi)計(jì)算值的約1.40倍，D類場地的水平地震力對(duì)是國內(nèi)計(jì)算值的約1.90倍；在最強(qiáng)地震的條件下，C類場地的水平地震力對(duì)是國內(nèi)計(jì)算值的約1.30倍，D類場地的水平地震力對(duì)是國內(nèi)計(jì)算值的約1.50倍。

4.2 拉桿直徑和單臺(tái)球罐拉桿及其相關(guān)件總重量

在忽略風(fēng)力的影響下，只由水平地震力來進(jìn)行拉桿、耳板及翼板等相關(guān)件的尺寸和重量計(jì)算，對(duì)比表6、8，在拉桿直徑和重量計(jì)算方面，按照IBC標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果與按照國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果存在較大差異。拉桿直徑比值和拉桿及其相關(guān)件翼板、耳板、松緊節(jié)(簡稱拉桿件)單臺(tái)球罐總重量差值見表9。

表8 按IBC標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的球罐相關(guān)參數(shù)(C、D類場地)

注：括號(hào)內(nèi)為D類場地下的計(jì)算結(jié)果。

表9 IBC標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果與中國標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果比較(C、D類場地)

注：括號(hào)內(nèi)為D類場地下的計(jì)算結(jié)果。

從表9可以看到，拉桿直徑按IBC標(biāo)準(zhǔn)C類場地計(jì)算結(jié)果是國標(biāo)計(jì)算結(jié)果的1.10～1.20倍，而IBC標(biāo)準(zhǔn)D類場地計(jì)算結(jié)果是國標(biāo)計(jì)算結(jié)果的1.20～1.30倍；按IBC標(biāo)準(zhǔn)得出拉桿件的單臺(tái)總重量比按國標(biāo)得出的結(jié)果有較大增加，在最弱地震條件下，C類場地IBC標(biāo)準(zhǔn)的拉桿件重量超出國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)拉桿重量約30%，D類場地超出國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)約60%～70%；在最強(qiáng)地震條件下，C類場地IBC標(biāo)準(zhǔn)的拉桿件重量超出國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)拉桿重量約20%，D類場地超出國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)約30%～40%。

5 000m3的球罐在D類場地最強(qiáng)地震的條件下，單臺(tái)球罐的拉桿件重量超過國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)11.55t，相應(yīng)多出的費(fèi)用約為5.2萬元。而大多數(shù)球罐是以幾臺(tái)甚至數(shù)十臺(tái)一起建造，則僅拉桿件增加的重量和費(fèi)用將是一筆可觀的數(shù)目。如果承建單位在初期報(bào)價(jià)時(shí)未考慮中美標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的差異，將導(dǎo)致中方在經(jīng)濟(jì)利益上蒙受損失。

4.3 原因分析

按照中國標(biāo)準(zhǔn)和美國標(biāo)準(zhǔn)對(duì)球罐水平地震力和拉桿的計(jì)算存在較大差別，按照美國標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果比按中國標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果大，而導(dǎo)致二者差別的最主要原因是地震的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期不同。中國的標(biāo)準(zhǔn)地震設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為475年，也就是50年內(nèi)有10%的超越概率；而IBC標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)是基于MCE(最大考慮地震)的，MCE的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為2 500年，也就是50年內(nèi)有2%的超越概率，IBC標(biāo)準(zhǔn)中基本地震加速度的取值為MCE的2/3。

而二者不同的根本原因在于中國標(biāo)準(zhǔn)和美國IBC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)備安全的設(shè)定不同，就如同球殼常規(guī)計(jì)算中，中國標(biāo)準(zhǔn)的安全系數(shù)為2.7而美國標(biāo)準(zhǔn)為3.0，從而中國標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算值要小于美國標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算值。

5 結(jié)束語

中國體系標(biāo)準(zhǔn)和美國IBC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)球罐水平地震力的計(jì)算方法存在較大差異，由于二者對(duì)設(shè)備安全的設(shè)定不同，導(dǎo)致按IBC標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的水平地震力大于按GB 50011標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算值。水平地震力的差異導(dǎo)致拉桿以及與其相關(guān)零部件的尺寸差異，并最終導(dǎo)致按IBC計(jì)算并設(shè)計(jì)的拉桿及其相關(guān)件重量超過按中國標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)所得到的值。建議設(shè)計(jì)者及建設(shè)單位在設(shè)計(jì)國外球罐時(shí)充分考慮兩個(gè)系列標(biāo)準(zhǔn)的差異，慎重設(shè)計(jì)并給出合理的報(bào)價(jià)。

[1] IBC，International Building Code[S].Washington DC：International Code Council，2009.

[2] GB 12337，鋼制球罐形儲(chǔ)罐[S].北京：國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，1998.

[3] GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2010.

[4] ASCE/SEI 7-10，Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures [S].Virginia：American Society of Civil Engineers，2010.