鋼儲(chǔ)罐外環(huán)墻基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)探討

陳 喜 峰

(中國(guó)中材國(guó)際工程股份有限公司，江蘇 南京 211100)

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鋼儲(chǔ)罐外環(huán)墻基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)探討

陳 喜 峰

(中國(guó)中材國(guó)際工程股份有限公司，江蘇 南京 211100)

結(jié)合工程實(shí)例，從外環(huán)墻基礎(chǔ)的計(jì)算公式及結(jié)果兩方面，對(duì)比分析了SHT 3068—2007石油化工鋼儲(chǔ)罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范和GB 50473—2008鋼制儲(chǔ)罐地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范的差異性，并給出了鋼儲(chǔ)罐外環(huán)墻基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的建議，旨在確保工程設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理性。

鋼儲(chǔ)罐，外環(huán)墻基礎(chǔ)，計(jì)算公式，配筋

在中東沙特阿拉伯地區(qū)，石油儲(chǔ)量極為豐富，重油量多且價(jià)格便宜，這類國(guó)家的水泥廠通常會(huì)建設(shè)以重油為燃料的自備電站，工廠所用的全部電能由自備電站供應(yīng)。

重油一般都是用鋼罐來(lái)儲(chǔ)存，需要根據(jù)地質(zhì)情況選擇基礎(chǔ)形式，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)除了要滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》外，還要滿足行業(yè)和國(guó)家的設(shè)計(jì)規(guī)范。根據(jù)地質(zhì)條件的不同，鋼儲(chǔ)罐基礎(chǔ)有三種選擇：護(hù)坡式、環(huán)墻式和外環(huán)墻式(鋼筋混凝土)基礎(chǔ)。涉及到鋼儲(chǔ)罐的規(guī)范有兩本：SHT 3068—2007石油化工鋼儲(chǔ)罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范和GB 50473—2008鋼制儲(chǔ)罐地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范。

兩本規(guī)范的適用范圍，計(jì)算圖形和公式基本相同，但是在鋼儲(chǔ)罐的環(huán)墻式基礎(chǔ)計(jì)算方面有一定的區(qū)別。由于本工程選用的是外環(huán)墻式基礎(chǔ)，籍此對(duì)兩本規(guī)范的外環(huán)墻計(jì)算內(nèi)容進(jìn)行了深入的比較，找出了不同規(guī)范的適用范圍，以供廣大設(shè)計(jì)者參考。

為方便起見，在下文中，兩本規(guī)范分別以規(guī)范號(hào)代替。

1 《SHT 3068》外環(huán)墻計(jì)算內(nèi)容[1]

外環(huán)墻尺寸示意圖見圖1。

規(guī)范6.2.4節(jié)，當(dāng)罐壁位于環(huán)墻內(nèi)側(cè)一定距離時(shí)(即外環(huán)墻式)，外環(huán)墻單位高環(huán)向力設(shè)計(jì)值可按下列公式計(jì)算。

1)當(dāng)b1≤H時(shí)：

a.在45°擴(kuò)散角以下的部分，可按式(1)計(jì)算：

(1)

b.在45°擴(kuò)散角以上的部分，可按式(2)計(jì)算：

Ft0=(γQwγmb1)KR

(2)

2)當(dāng)b1>H時(shí):

Ft0=γQmγmHKR

(3)

其中，F(xiàn)t0為外環(huán)墻單位高環(huán)向力設(shè)計(jì)值，kN/m；γ為罐體自重分項(xiàng)系數(shù)，可取1.2；b1為外環(huán)墻內(nèi)側(cè)至罐壁內(nèi)側(cè)距離，m；Rh為外環(huán)墻內(nèi)側(cè)半徑,m；Rt為儲(chǔ)罐底圈內(nèi)半徑,m；H為罐底至外環(huán)墻底高度，m；R為外環(huán)墻中心線半徑,m。

3)配筋。規(guī)范6.3.2節(jié)，外環(huán)墻單位高環(huán)向鋼筋的截面面積，可按式(4)計(jì)算:

(4)

其中，AS0為外環(huán)墻單位高環(huán)向鋼筋的截面面積，mm2。

2 《GB 50473》外環(huán)墻計(jì)算[2]

外環(huán)墻示意圖見圖2。

規(guī)范4.1.4節(jié)，外環(huán)墻單位高度環(huán)向力設(shè)計(jì)值，可按以下公式計(jì)算。

1)當(dāng)b1≤H時(shí)按下列公式計(jì)算：

a.在45°擴(kuò)散角以下的部分：

充水試壓時(shí)：

(5)

正常使用時(shí)：

(6)

b.在45°擴(kuò)散角以上的部分：

(7)

(8)

其中，F(xiàn)t0為外環(huán)墻單位高度環(huán)向力設(shè)計(jì)，kN/m；γ為罐體自重分項(xiàng)系數(shù)，可取1.2；b1為外環(huán)墻內(nèi)側(cè)至罐壁內(nèi)側(cè)距離，m；Rh為外環(huán)墻內(nèi)側(cè)半徑，m；Rt為儲(chǔ)罐底圈內(nèi)半徑，m；H為罐底至外環(huán)墻底高度，m；R為外環(huán)墻中心線半徑，m。

3)配筋。

規(guī)范4.2.2節(jié)，外環(huán)墻單位高度環(huán)向鋼筋的截面面積，可按下式計(jì)算:

其中，AS0為外環(huán)墻單位高度環(huán)向鋼筋的截面面積，mm2;Ft0為外環(huán)墻單位高度環(huán)向力設(shè)計(jì)值，kN/m；當(dāng)b1≤H時(shí)，在45°擴(kuò)散角以下的部分取式(5)和式(6)的較大值。

3 兩本規(guī)范的比較

3.1 計(jì)算公式的差異

樣本按“1.3”項(xiàng)試驗(yàn)條件進(jìn)行氣相色譜質(zhì)譜分析，對(duì)應(yīng)總離子流色譜圖如圖1所示。從圖1可以看出，試驗(yàn)用氣相色譜條件滿足紫椴鮮花揮發(fā)性成分的分離要求。經(jīng)氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀分析，用NIST05數(shù)據(jù)系統(tǒng)檢索，分離出55個(gè)色譜峰，最終鑒定44種成分，占總面積的96.71%。揮發(fā)性成分分析及面積歸一化法定量結(jié)果見表1。表1 數(shù)據(jù)說(shuō)明，紫椴花主要揮發(fā)性有機(jī)成分有芳樟醇(34.37%)、β-苯乙醇(31.37%)、β-順式-羅勒烯 (12.03%)、丁香醇A(2.00%)、反式-α,α-5-三甲基-5-乙烯基四氫化-2-呋喃甲醇(3.59%)等，占揮發(fā)性物質(zhì)總量的83.36%。

兩種規(guī)范的計(jì)算參數(shù)，比如外環(huán)墻內(nèi)側(cè)半徑，儲(chǔ)罐底圈內(nèi)半徑，外環(huán)墻中心線半徑的定義基本一致，但在計(jì)算公式上存在著以下很明顯的區(qū)別：

1)在計(jì)算外環(huán)墻單位高度環(huán)向力設(shè)計(jì)值和環(huán)向鋼筋的截面面積時(shí)，規(guī)范《SHT 3068》僅考慮了充水狀態(tài)，沒有考慮儲(chǔ)存介質(zhì)的狀態(tài)；規(guī)范《GB 50473》則考慮了充水試壓和儲(chǔ)存介質(zhì)的兩種狀態(tài)，并將儲(chǔ)液重劃為可變荷載考慮，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的3.2.4條，分項(xiàng)系數(shù)取1.3(標(biāo)準(zhǔn)值大于4 kN/m2的活荷載)。

3)γQm分項(xiàng)系數(shù)，在規(guī)范《SHT3068》中取1.0，在規(guī)范《GB50473》中取1.2。

3.2 計(jì)算結(jié)果Ft0的差異

已知γw=9.80kN/m3，另假定hw=hL。

1)b1≤H時(shí)：

在45°擴(kuò)散角以下的部分：規(guī)范《GB50473》，γQL=1.3，γQw=1.1，γQm=1.2。

(9)

(10)

當(dāng)γL≥8.3kN/m3時(shí)，F(xiàn)t0取式(10)的計(jì)算結(jié)果。

規(guī)范《SHT3068》中，γQw=1.1，γQm=1.0。

(11)

若要取規(guī)范《GB 50473》式(10)的Ft0，必須得:

在45°擴(kuò)散角以上的部分：

規(guī)范《GB50473》：

(12)

規(guī)范《SHT 3068》：

Ft0=(γQwγmb1)KR

(13)

按規(guī)范《SHT 3068》計(jì)算的Ft0值較大。

2)當(dāng)b1>H時(shí)：

(14)

《SHT 3068》：Ft0=γQmγmHKR

(15)

按規(guī)范《SHT 3068》計(jì)算的Ft0值較大。

4 實(shí)例

沙特某地電廠配套工程，F(xiàn)UEL OIL TANK項(xiàng)目，三個(gè)油罐儲(chǔ)存的是重油，密度為9.80 kN/m3，單個(gè)油罐的儲(chǔ)量為5 000 m3，場(chǎng)地土為中硬土，選擇外環(huán)墻式基礎(chǔ)，外環(huán)墻計(jì)算圖形同圖2。

已知參數(shù)：b=300 mm,H=1 020 mm，Rt=12 m,HL=HW=13 m,gk=17.4 kN/m，k=0.33,fy=360 N/mm2。

4.1 按規(guī)范《SHT 3068》計(jì)算

1)b1≤H：b1=300 mm,Rh=12.3 m,R=12.45 m，h=1 000 mm。

在45°擴(kuò)散角以下的部分：

Ft0=766.4 kN/m,AS0=2 129 mm2。

在45°擴(kuò)散角以上的部分:

Ft0=24.4 kN/m;AS0=68 mm2。

整個(gè)截面的環(huán)向鋼筋面積：

0.3×68+0.7×2 129=1 511 mm2。

規(guī)范9.1.5構(gòu)造配筋：

300×1 000×0.4%=1 200 mm2，1 511 mm2>1 200 mm2。

2)b1>H：b1=1 200 mm,Rh=13.2 m,R=13.35 m，h=900 mm。

Ft0=80.9 kN/m，AS0=225 mm2。

整個(gè)截面的環(huán)向鋼筋面積：0.9×225=203 mm2。規(guī)范9.1.5構(gòu)造配筋：300×900×0.4%=1 080 mm2。

配筋取構(gòu)造：1 080 mm2。

4.2 按規(guī)范《GB 50473》計(jì)算

1)b1≤H：b1=300 mm,Rh=12.3 m,R=12.45 m，h=1 000 mm。

在45°擴(kuò)散角以下的部分：

充水試壓時(shí)：Ft0=736.3 kN/m；

正常使用時(shí)：Ft0=816 kN/m；

取Ft0=816 kN/m，AS0=2 267 mm2。

在45°擴(kuò)散角以上的部分：

Ft0=13.3 kN/m，AS0=37 mm2。

整個(gè)截面的環(huán)向鋼筋面積：

0.3×37+0.7×2 267=1 598 mm2。

規(guī)范7.1.14構(gòu)造配筋：

300×1 000×0.4%=1 200 mm2，1 598 mm2>1 200 mm2。

2)b1>H：b1=1 200 mm,Rh=13.2 m,R=13.35 m，h=900 mm。

Ft0=48.5 kN/m,AS0=135 mm2。

整個(gè)截面的環(huán)向鋼筋面積：0.9×135=122 mm2。

規(guī)范7.1.14構(gòu)造配筋：300×900×0.4%=1 080 mm2。

配筋取構(gòu)造：1 080 mm2。

4.3 比較

取重油密度分別為5.80 kN/m3，6.80 kN/m3，7.80 kN/m3，8.80 kN/m3，10.0 kN/m3，并將計(jì)算結(jié)果列于表1。

表1 計(jì)算結(jié)果表

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，對(duì)于本例中5 000 m3儲(chǔ)量的中型油罐，在b1≤H時(shí)，取γL=8.6 kN/m3，兩本規(guī)范的計(jì)算配筋結(jié)果基本一致，取γL=10.0 kN/m3，兩本規(guī)范的計(jì)算配筋差值僅在7%左右。由于兩本規(guī)范都不適用于儲(chǔ)存介質(zhì)自重大于10 kN/m3儲(chǔ)罐的地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，7%的差值基本上是極限狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

因?yàn)榄h(huán)基構(gòu)件作為彈性地基上的圓環(huán)是一種具有無(wú)數(shù)彈性支承的高次超靜定結(jié)構(gòu)，從裂縫觀察中發(fā)現(xiàn)，裂縫很少有貫穿整個(gè)環(huán)基高度的，環(huán)基事實(shí)上具有很高的安全儲(chǔ)備[3]。所以在進(jìn)行5 000m3儲(chǔ)量左右的油罐外環(huán)墻基礎(chǔ)的計(jì)算時(shí)，可以按石油化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SHT3068》的公式計(jì)算，在γL較大時(shí)，將配筋結(jié)果適當(dāng)加大即可，不必再用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB50473》的公式校核，就能滿足經(jīng)濟(jì)性和安全性的要求。

[1]SHT3068—2007，石油化工鋼儲(chǔ)罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB50473—2008，鋼制儲(chǔ)罐地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 賈慶山.儲(chǔ)罐基礎(chǔ)工程手冊(cè)[M].北京：中國(guó)石化出版社,2002.

Study on the design of outside ringwall foundation of steel storage tank

Chen Xifeng

(SinomaInternationalEngineeringCo.,Ltd,Nanjing211100,China)

Combining with the engineering cases, the paper undertakes the comparative analysis of the differences between the SHT 3068—2007RegulationforSteelStorageTankBasementandFoundationDesignand GB 50473—2008RegulationforSteelStorageTankFoundationDesignin petrochemical industry from the calculation formula and results of the external ringwall foundation, and provides the design suggestions, so as to ensure the economical and reasonable engineering design.

steel storage tank, external ringwall foundation, calculation formula, reinforcement

1009-6825(2016)27-0042-03

2016-07-17

陳喜峰(1977- )，男，碩士，高級(jí)工程師，一級(jí)結(jié)構(gòu)注冊(cè)工程師

TU471

A