啤酒發(fā)酵罐群底座框架的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

李 安 戌

(山西省輕工設(shè)計(jì)院，山西 太原 030001)

啤酒發(fā)酵罐群底座框架的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

李 安 戌

(山西省輕工設(shè)計(jì)院，山西 太原 030001)

以支撐發(fā)酵罐群的鋼筋混凝土單層框架結(jié)構(gòu)為研究對象，分析了兩種柱網(wǎng)布置形式對底座框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的影響，論述了水平以及豎向地震作用的計(jì)算過程，并對體系地震影響系數(shù)的取值提出了建議，指出正交布置柱網(wǎng)情況下框架梁應(yīng)考慮豎向地震的影響。

鋼制發(fā)酵罐群，底座框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，體系地震影響系數(shù)

鋼制發(fā)酵罐群是啤酒廠生產(chǎn)工藝設(shè)備的主要核心部分，罐體直徑一般為4.0 m～5.0 m，罐體高度一般為10 m～20 m，單罐儲酒重量為100 t～300 t。常常成群布置，并通過4個罐耳架設(shè)在高度為6.0 m左右的鋼筋混凝土單層框架結(jié)構(gòu)頂部。本文針對此結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的幾個主要問題進(jìn)行論述。

1 抗震設(shè)計(jì)的基本要求

1)抗震設(shè)計(jì)的主要規(guī)范。a.GB 50223—2008建筑工程抗震設(shè)計(jì)分類標(biāo)準(zhǔn)。b.GB 50011—2010建筑工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。c.GB 50191—2012構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。d.GB 50761—2012石油化工鋼制設(shè)備抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。2)底座框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的幾項(xiàng)重要指標(biāo)的主要參數(shù)見表1。3)抗震設(shè)計(jì)的基本要點(diǎn)。a.按多遇地震烈度參數(shù)進(jìn)行分析及截面配筋，按設(shè)防烈度要求采取抗震措施。b.應(yīng)進(jìn)行豎向地震作用驗(yàn)算。

表1 底座框架抗震設(shè)計(jì)的主要參數(shù)

2 兩種柱網(wǎng)布置形式對底座框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的影響

因?yàn)樯a(chǎn)工藝的要求,底座只能采用由梁、板、柱組成的單層純框架結(jié)構(gòu)。其框架柱網(wǎng)常采用“正交布置”及“棋盤布置”兩種，如圖1所示。

柱網(wǎng)正交布置，梁柱在同一條軸線上，即在同一個豎平面內(nèi)，具有明確的計(jì)算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑，對抗震設(shè)計(jì)較有利。但是，由于大罐滿載后重量很大，重力荷載和水平及豎向地震作用須先由框架梁承受，再從梁傳給柱子。計(jì)算結(jié)果表明，框架梁端彎矩，剪力很大，這導(dǎo)致框架梁需要很大的斷面尺寸和配筋。按此設(shè)計(jì)出的梁跨高比大于4且屬超筋梁，違背了“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)原則。因此，這種柱網(wǎng)布置形式只能在較小生產(chǎn)規(guī)模的情況下使用。柱網(wǎng)棋盤布置，大罐荷載可直接作用在柱頂。框架梁須隔一排柱布置，即梁不能完全連通，但由于有環(huán)梁的存在，整個結(jié)構(gòu)的等效抗側(cè)移剛度并不小。同時，框架梁的斷面尺寸和梁柱配筋率大大減小，容易做到“強(qiáng)柱弱梁”，在100 t以下的罐群中往往采用這種柱網(wǎng)形式。以8度360 t儲罐的4×4罐群為例，兩種柱網(wǎng)布置形式的結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果比較見表2。

表2 兩種柱網(wǎng)布置形式的結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果比較

3 水平地震作用的計(jì)算

依據(jù)GB 50191—2012構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范及GB 50761—2012石油化工鋼制設(shè)備抗震設(shè)計(jì)規(guī)范條款，應(yīng)按多遇地震確定影響系數(shù)，并進(jìn)行地震作用和作用效應(yīng)計(jì)算，底座框架結(jié)構(gòu)的水平地震作用可按單質(zhì)點(diǎn)體系采用底部剪力法計(jì)算。支承框架的總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值，采用等效總重力荷載產(chǎn)生的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值與總液體荷載產(chǎn)生的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值。結(jié)構(gòu)等效總重力荷載包括鋼罐體框架梁板及1/2柱的自重值之和。結(jié)構(gòu)等效總重力荷載水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值和液體荷載水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的作用點(diǎn)在質(zhì)心處。計(jì)算簡圖如圖2所示。

水平地震作用按下式計(jì)算：

FEk1=α1Geq

(1)

FEk2=α2ηmeqg

(2)

meq=mψw

(3)

其中，F(xiàn)Ek1，F(xiàn)Ek2分別為結(jié)構(gòu)自重振動產(chǎn)生的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值及酒液振動產(chǎn)生的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值；α為體系地震影響系數(shù)。由框架結(jié)構(gòu)與酒罐組成的振動體系的自振周期，地震烈度場地類別、設(shè)計(jì)地震分組、阻尼比確定，可取αmax,有的文獻(xiàn)采用將罐體置于地面的計(jì)算公式確定自振周期及α值，筆者認(rèn)為并不合適。事實(shí)上，這個振動體系是由底部鋼筋混凝土框架、鋼制酒罐、酒液體復(fù)合而成的，且鋼制酒罐的高度遠(yuǎn)大于底部框架。酒液體和罐還存在殼液耦聯(lián)振動問題，其自振周期的確定須經(jīng)復(fù)雜的計(jì)算。此處取αmax為簡化計(jì)算起見；Geq為體系自重等效重力荷載，可取其重力荷載代表值；meq為酒液等效質(zhì)量；m為滿罐時，酒液總質(zhì)量；η為罐影響系數(shù)，可取1.1；ψw為動液系數(shù)，GB 50191—2012構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范根據(jù)D/Hw值推薦按表3確定。

表3 動液系數(shù)

GB 50761—2012石油化工鋼制設(shè)備抗震設(shè)計(jì)規(guī)范推薦：

(4)

(5)

其中,tanh為雙曲正切函數(shù)；R為酒罐半徑。

FEk1作用點(diǎn)在框架頂部。

FEk2作用點(diǎn)在罐內(nèi)酒液的質(zhì)心，其對罐底框架產(chǎn)生力矩。

M=0.45FEk2Hw

(6)

由此轉(zhuǎn)化而來的每個罐底附加豎向力：

作用在框架頂部的點(diǎn)水平地震為：

FEk=FEk1+∑FEk2

(7)

框架結(jié)構(gòu)水平地震作用計(jì)算簡圖如圖3所示。

從圖3可以看出中間柱的附加豎向力可以相互抵消，但邊柱仍然存在。

4 豎向地震作用計(jì)算

對于柱網(wǎng)正交布置作用的酒罐裙底框架結(jié)構(gòu)，因罐液重力全部直接作用在框架的中點(diǎn)上，每個酒罐是3聯(lián)結(jié)的單獨(dú)振動質(zhì)點(diǎn)。這樣將對框架梁產(chǎn)生較大的豎向地震作用反應(yīng)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮其豎向地震作用。

酒罐底部的豎向地震作用，應(yīng)按下式計(jì)算：

Fv=αvmaxmeqg

(8)

其中,Fv為酒罐底部的豎向地震作用;αvmax為豎向地震影響系數(shù)最大值，對設(shè)防地震可取水平地震影響系數(shù)最大值的50%,對多遇地震可取水平地震影響系數(shù)最大值的65%;meq為酒液及罐體的等效質(zhì)量，可取總質(zhì)量的75%。

5 結(jié)語

以上是筆者結(jié)合自己實(shí)際工作，分別論述了啤酒發(fā)酵罐群鋼筋混凝土底座框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的幾個要點(diǎn)，局限于個人水平，文中疏漏及不當(dāng)之處，懇求同行批評指正。

The structure seismic design of beer fermentation tank group pedestal frame

Li Anxu

(ShanxiLightIndustryDesignInstitute,Taiyuan030001,China)

Taking the single story frame structure of support fermentation tank group reinforced concrete as the research object, this paper analyzed the influence of two column layout forms to pedestal frame structure seismic design, discussed the calculation process of horizontal and vertical seismic effect, and suggested the value of system earthquake influence coefficient, and pointed out that the framework should consider the influence of vertical seismic under orthogonal grid layout situation.

steel fermentation tank group, pedestal frame structure seismic design, system seismic influence coefficient

2015-06-06

李安戌(1958- )，男，工程師

1009-6825(2015)23-0030-03

TU352

A