優(yōu)化立式鋼儲罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)實(shí)踐探索

羅瑞芳

(福建醫(yī)工設(shè)計(jì)院有限公司　福建福州　350000)

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優(yōu)化立式鋼儲罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)實(shí)踐探索

羅瑞芳

(福建醫(yī)工設(shè)計(jì)院有限公司福建福州350000)

基于立式鋼儲罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，通過某一工程實(shí)例的工程力學(xué)詳細(xì)計(jì)算，優(yōu)化該構(gòu)筑物基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。工程實(shí)踐證明，唯此才能優(yōu)化選擇立式鋼儲罐的合理的基礎(chǔ)形式，奠定安全生產(chǎn)基礎(chǔ)。

鋼儲罐基礎(chǔ)；設(shè)計(jì)；要點(diǎn)

0　引言

立式圓筒形鋼制儲罐主要用于儲存原料、中間產(chǎn)品和成品等，在石油化工行業(yè)、糧食行業(yè)、建材行業(yè)中都得到廣泛的應(yīng)用。罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和建造的優(yōu)劣都極大地影響立式鋼儲罐使用壽命，對企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行造成損失。因此全面分析、掌握立式圓筒形鋼制儲罐基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對控制住工程設(shè)計(jì)質(zhì)量，為促進(jìn)項(xiàng)目優(yōu)質(zhì)建設(shè)提供重要保證，是十分必要的。本文通過工程實(shí)例的演繹，淺析鋼儲罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，與業(yè)內(nèi)同行商榷。

1　罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1地形、地貌特性和工程地質(zhì)條件

罐基礎(chǔ)是傳遞上部荷載至地基持力層的部分。罐基礎(chǔ)的選型，應(yīng)根據(jù)儲罐的型式、容積、地質(zhì)條件、工藝要求、施工技術(shù)條件，地基處理方法和經(jīng)濟(jì)合理性等條件綜合考慮。

1.1.1罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)對地基土的基本要求

罐基礎(chǔ)對地基土的基本要求是：均勻性好，土層力學(xué)性能穩(wěn)定，承載力特征值滿足設(shè)計(jì)要求。基本滿足要求的天然地基既要滿足承載力特征值又要符合基礎(chǔ)沉降差要求。天然地基中軟土地基，不良地質(zhì)現(xiàn)象的山區(qū)地基、特殊土地基、以及在實(shí)際工況條件下沉降差不能滿足規(guī)范要求地基都應(yīng)經(jīng)如下相應(yīng)處理，不可直接利用。

1.1.2對無法利用的天然地基處理方法

(1)耕土層、人工填土、生活垃圾、工業(yè)廢料及局部軟弱土應(yīng)清除，換填材料不得采用有膨脹性或濕陷性的土；

(2)對場地內(nèi)探明的塘、池、溝和暗塘、暗溝等，應(yīng)清除殘?jiān)⒂倌啵捎盟赝痢⒓壟渖笆蚧彝练謱雍粚?shí)；

(3)基礎(chǔ)土存在部分堅(jiān)硬，部分松軟時，應(yīng)采取有效的處理措施，盡量清除松軟部分保證基礎(chǔ)落在物理力學(xué)性質(zhì)相當(dāng)?shù)耐翆由希詽M足沉降差要求。

1.2罐基礎(chǔ)選型

(1)一般較常用的基礎(chǔ)型式有護(hù)坡式、外環(huán)梁式、環(huán)梁式等。

(2)以工藝要求、施工技術(shù)和投資造價(jià)等的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)論證確定罐基礎(chǔ)選型。

①從經(jīng)濟(jì)方面考慮，護(hù)坡式較環(huán)梁式造價(jià)低，對于場地不受限制，罐之間距離較大，工藝條件許可的情況下，比選時應(yīng)優(yōu)先選用。

②若油罐罐底與罐外地坪高度較大，罐間距相對小，罐區(qū)空間不足的情況下，優(yōu)先選用環(huán)梁式[1]。

③當(dāng)修正后的地基承載力特征值小于基底平均壓力時，應(yīng)采用樁基礎(chǔ)。樁基礎(chǔ)的承臺面一般也設(shè)置環(huán)梁[1]。

1.3工程力學(xué)計(jì)算及罐基礎(chǔ)構(gòu)造

工程力學(xué)計(jì)算包括：構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)計(jì)算；地基承載力計(jì)算；地基變形測算及控制等。

2　工程實(shí)例

2.1工程概況

某公司新建10 000m3油庫，設(shè)4個2 500m3鋼儲罐。該油罐的資料如下：

罐體直徑為14m,罐總高度為16m；大罐自重80t，罐體保溫層質(zhì)量為10t，充水質(zhì)量為2 500t，操作時介質(zhì)質(zhì)量2 325t，介質(zhì)重度為9.3kN/m3。本工程抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組第二組;場地類別II類;場地內(nèi)未見凍土及液化土層，地下水穩(wěn)定水位埋深為5.80～10.30m。

2.2場地地形、地質(zhì)

場地內(nèi)地層自上而下分布依次為：素填土、粉質(zhì)粘土(在此剖面內(nèi)缺失)、殘積砂質(zhì)粘性土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。現(xiàn)將各巖土層的巖性特征描述如下：

①素填土：松散，均勻性較差，工程性能差。

②粉質(zhì)粘土：可～硬塑，具中等壓縮性，局部缺失。

③殘積砂質(zhì)粘性土：可～硬塑，具中等壓縮性，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)修正擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為13擊。土層力學(xué)性能較好，承載力特征值fak=220kpa。

④全風(fēng)化花崗巖：標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)修正擊數(shù)≥30擊，工程性能好。

⑤強(qiáng)風(fēng)化花崗巖：標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)修正擊數(shù)≥50擊，工程性能好。

地質(zhì)剖面圖詳見圖1：

圖1　工地地質(zhì)剖面圖

2.3基礎(chǔ)選型

從以上資料可知：本場地素填土局部厚度較厚，采用換填法處理，挖掉素填土至殘積砂質(zhì)粘性土層，用中粗砂回填，分層充水振實(shí)后可作為持力層。

常用的罐基礎(chǔ)選型列表分析如表1。

表1　罐基礎(chǔ)選型分析表

由于該油罐罐底與罐外地坪高度相差較大、罐與罐之間間距不大、工藝要求場地平整，且該地區(qū)有抗震設(shè)防要求，因此優(yōu)先選用環(huán)梁式基礎(chǔ)。

2.4工程力學(xué)計(jì)算

2.4.1環(huán)梁

(1)寬度計(jì)算

根據(jù)《石油化工企業(yè)鋼儲罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》SH/T3086-2007[2]，中環(huán)梁寬度計(jì)算式中取值如式(1)：

(1)

gk:為罐壁底端傳給環(huán)梁頂端的線分布荷載標(biāo)準(zhǔn)值(當(dāng)有保溫層時，尚應(yīng)包括保溫層的荷載標(biāo)準(zhǔn)值)

gk=(800+100)/(3.14×14)=20.5kN/m

γL:為罐內(nèi)使用階段儲存介質(zhì)重度，取9.3kN/m3

hL:為環(huán)梁頂面至罐內(nèi)最高液面高度，取16m

γc:為環(huán)梁的重度，即鋼筋混凝土重度25kN/m3

γm:為環(huán)梁內(nèi)各層土平均重度，取18kN/m3

h:為環(huán)梁高度，

環(huán)梁基礎(chǔ)埋深為0.8m,根據(jù)工藝要求環(huán)梁頂面高出地面為0.6m,所以環(huán)梁高度h=0.8+0.6=1.4m.

β:為罐壁伸入環(huán)梁頂面寬度系數(shù)，一般可取0.4～0.6.罐壁與環(huán)梁中心重合取0.5.

代入計(jì)算得b=0.317m，取350mm.

(2)環(huán)梁環(huán)向力分析及計(jì)算[3]

環(huán)向力分析：

基礎(chǔ)環(huán)梁受到的力有豎向荷載和水平荷載如圖2、圖3所示。

圖2　基礎(chǔ)環(huán)梁力豎向荷載圖

圖3　基礎(chǔ)環(huán)梁力水平荷載圖

豎向荷載包括：

①環(huán)梁頂面油罐壁荷重P1；

②油罐自重及罐內(nèi)儲存介質(zhì)重量q1(x)；

③環(huán)基內(nèi)壁砂墊層的豎向摩擦力τ(z)；

④環(huán)梁基礎(chǔ)的反力q2(x)。

水平荷載包括：

①基礎(chǔ)填料自重對環(huán)梁產(chǎn)生的側(cè)壓力q2(z)

②環(huán)梁外側(cè)土產(chǎn)生的土壓力q2(z)

當(dāng)罐壁位于環(huán)梁頂面時，罐體自重對環(huán)梁產(chǎn)生的豎向壓應(yīng)力相對于環(huán)梁的鋼筋混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值很小，因此，根據(jù)朗肯土壓力公式，可得側(cè)壓力越接近環(huán)梁底越大，產(chǎn)生的彎矩也越大。規(guī)范中的簡化計(jì)算方法中在計(jì)算環(huán)向力僅僅對整個環(huán)梁高度取平均值，適用于截面高度不高的環(huán)梁，對于對截面高度較高的環(huán)梁應(yīng)準(zhǔn)確計(jì)算截面上下范圍內(nèi)的配筋面積，對環(huán)梁截面上下范圍內(nèi)區(qū)別配筋，以保障基礎(chǔ)環(huán)梁的結(jié)構(gòu)安全[4]。

在其他條件不變的情況下，油罐直徑直接影響著環(huán)向力的大小。圖4列出了采用規(guī)范中的簡化計(jì)算方法和數(shù)值計(jì)算(采用Flac3D商用軟件對大型儲液罐的充水試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，對基礎(chǔ)環(huán)梁進(jìn)行動力計(jì)算)得出基礎(chǔ)環(huán)梁的環(huán)向拉力對比圖。

圖4　基礎(chǔ)環(huán)梁環(huán)向拉力對比圖

由圖4可看出，油罐直徑接近60m時，環(huán)梁的環(huán)向拉力與油罐直徑成正比(規(guī)范公式計(jì)算)，當(dāng)油罐直徑超過這個值時，直徑對基礎(chǔ)環(huán)梁環(huán)向拉力的影響較小[5]。因此，在進(jìn)行大型儲油罐基礎(chǔ)環(huán)梁設(shè)計(jì)計(jì)算時，應(yīng)根據(jù)分析對比，選擇適合的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算[4]。

實(shí)例中：罐的直徑較小，且環(huán)梁的高度不高，根據(jù)規(guī)范公式(SH/T3086-2007)：

Ft=(γQwγwhw+γQmγmh)KR

(2)

如試(2)計(jì)算得：

Ft=(1.1×9.8×16+1.0×18×1.4)×0.33×7=456.641kN/m

式中：

γQw為罐內(nèi)充水重分項(xiàng)系數(shù)，取1.1；

γQm環(huán)梁內(nèi)各層自重分項(xiàng)系數(shù)取1.0；

γw為水重度，取9.8kN/m2；

γm為環(huán)梁內(nèi)各層的平均重度，取18 kN/m2；

hw為環(huán)梁頂面至罐內(nèi)最高儲水面高度；

K為環(huán)梁側(cè)壓力系數(shù)，一般地基取0.33；

R為環(huán)梁中心線半徑(m)，取7m。

(3)環(huán)梁截面配筋計(jì)算[3]

As=(r0Ft)/fY

(3)

式(3)中As單位高環(huán)向鋼筋截面面積;

r0為重要性系數(shù)，取1.0；

fY為鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取360N/mm2

經(jīng)計(jì)算：

As=(456.641/360)×103=

1 268.5 mm2

環(huán)向鋼筋截面總配筋率為：4 180/(350×1 000)=1.2%，>環(huán)梁內(nèi)環(huán)向鋼筋總配筋率不宜小于1%[3]，所以滿足要求。

圖5　2500m3 儲油罐設(shè)備基礎(chǔ)圖和環(huán)梁配筋圖

2.4.2地基承載力計(jì)算

罐基礎(chǔ)地面處的平均壓力設(shè)計(jì)值可作為軸心荷載考慮， 按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2011[8]中式5.2.2.-1式(4)計(jì)算：

PK=(FK+GK)/A

(4)

A=πR2=3.14×(7+0.35×0.5)2=161.6m2

FK=800+100+25 000=25 900kN

Gk=18×1.4×161.6=4072kN

PK=(25 900+4 072)/161.6=185.5kN/mm2

地基土經(jīng)過換填處理后(最深處換填厚度為1.5m)，承載力=220-1.5×20=190kN/mm2

地基承載力滿足要求。

2.4.3地基變形計(jì)算

本工程地基采用換填法處理，挖掉素填土至殘積砂質(zhì)粘性土表面。現(xiàn)對本設(shè)計(jì)中罐基礎(chǔ)中心及邊緣的沉降量進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)的公式[8]：

(5)

式(5)中:

S為地基最終變形量(mm)；

S′為按分層總和法計(jì)算出的地基變形量；

ψs為沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù);

n為地基變形計(jì)算深度范圍內(nèi)所劃分的地層數(shù);

Po為對應(yīng)于荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合時的基礎(chǔ)底面處的附加壓力 (kPa);

Esi—基礎(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量(Mpa),應(yīng)取土的自重壓力至土的自重壓力與附加壓力之和的壓力段計(jì)算;

Zi、Zi-1—基礎(chǔ)底面至第i層土、i-1層土底面的距離(m);

ai、ai-1—基礎(chǔ)底面計(jì)算點(diǎn)至第i層土、第i-1層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)，詳細(xì)計(jì)算詳見表2。

表2　沉降計(jì)算用表

由于全風(fēng)化花崗巖和中風(fēng)化花崗巖屬于堅(jiān)硬土層，無需計(jì)算該土層的壓縮變形。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，取沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ψs=0.5

罐基礎(chǔ)中心沉降量S=0.5×51.290=25.65mm

邊部的沉降量S=0.5×36.944=18.47mm

沉降差=25.65-18.47=7.18mm

規(guī)范允許沉降差=0.015D(罐徑)=0.015×14 350=215.25mm. 計(jì)算滿足規(guī)范要求。

2.5儲罐基礎(chǔ)的構(gòu)造措施

該環(huán)梁罐基礎(chǔ)的構(gòu)造如圖6：

圖6　環(huán)梁罐基礎(chǔ)構(gòu)造圖

分層如下：

(1)鋼罐底板底即罐基礎(chǔ)頂面，自中心向周邊做成15‰～35‰的坡度，該罐基礎(chǔ)地基承載力及變形滿足要求，所以本罐基礎(chǔ)采用鋪設(shè)粗砂層最薄處厚30mm,坡度為20‰。若不能滿足要求時，坡度應(yīng)取較大坡度。

(2) 100mm瀝青砂絕緣層厚(93∶7中砂與石油瀝青按重量配比),該層用于隔斷水、潮氣和雜散電流對儲罐底板的化學(xué)腐蝕和電腐蝕作用。

(3)200mm中粗砂墊層。

(4)1 070mm碎石墊層，其中碎石占全重的40%，分層夯實(shí)，壓實(shí)系數(shù)λ=0.95.該層主要承受了上部的荷載，把荷載傳遞給地基，因此應(yīng)逐層壓實(shí)，逐層質(zhì)量檢驗(yàn)。確保該層的壓實(shí)度及密實(shí)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2.6其他構(gòu)造要求

(1)環(huán)梁應(yīng)設(shè)置泄漏孔。該基礎(chǔ)設(shè)置預(yù)埋泄漏孔(DN50鋼管) 共4處;L=450。泄露孔應(yīng)沿罐周均勻布置，其間距宜為10m～15m。泄漏孔進(jìn)口處應(yīng)設(shè)置由礫石和粒徑為20～40mm的卵石組成的反濾層鋼筋網(wǎng)，出口高于設(shè)計(jì)地面。

(3)該環(huán)梁的周長大于40m,留后澆縫，在保證鋼筋連續(xù)的原則下分段澆灌，縫寬宜為300～500mm,接縫應(yīng)采用提高一個強(qiáng)度等級的微膨脹混凝土澆灌并搗實(shí)。

3　結(jié)論

綜上，立式鋼儲罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

①應(yīng)掌握罐區(qū)地形、地貌和工程地質(zhì)條件，這是選擇基礎(chǔ)方案的前提；

②通過建設(shè)項(xiàng)目的工藝要求、施工技術(shù)和投資比較的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)論證確定罐基礎(chǔ)選型；

③優(yōu)化相應(yīng)構(gòu)筑物基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從環(huán)梁內(nèi)力計(jì)算、地基土沉降、儲罐基礎(chǔ)構(gòu)造等方面以滿足相應(yīng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范、施工規(guī)范、驗(yàn)收規(guī)范的要求，為安全生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

[1]祝瓊巖.鋼儲罐基礎(chǔ)環(huán)梁的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2005.9:60-62.

[2]SH/T3086-2007 石油化工企業(yè)鋼儲罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]魯明玉.油罐基礎(chǔ)環(huán)梁的內(nèi)力分析及配筋計(jì)算[J].程設(shè)計(jì)，11～14.

[4]彭曉軍,高宏斌.立式油罐基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)選型[J].工程設(shè)計(jì)，2005.3:10-11.

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[7]GB50010-2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[8]GB50007-2010 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

To optimize the design of the vertical steel tank foundation practice exploration

LUO Ruifang

(Medical professionals design institute Co.,LTD.，fujian province，F(xiàn)uzhou 350000)

Based on the vertical steel tank foundation design, through an engineering example of engineering mechanics calculation in detail ,optimizing the structure design of the structure foundation. Engineering practice has proved that through the optimal selection of vertical steel tank form the basis of reasonable, lay the foundation for safety production.

Steel tank foundation;Design;points

羅瑞芳(1984.07-),女，工程師。

E-mail:158137469@qq.com

2016-04-01

TU47

A

1004-6135(2016)05-0070-05