球罐基礎設計軟件SPCAD的開發與應用

金微

（中石化上海工程有限公司 上海 200120）

1 概況

球罐為大容量、承壓的球形儲存容器，無論在石油石化行業還是在城市燃氣行業，球罐均有非常廣泛的應用，因此相關行業的專業設計院經常需要對球罐以及球罐基礎開展設計工作。球罐基礎屬于特種構筑物范疇，無法使用常見的建筑結構設計軟件，設計人員通常采用手算方式，計算繁瑣工作量較大，耗費時間較多，設計效率不高。在這種背景之下，開發一種針對球罐基礎的結構計算軟件很有必要性。

圖1 常見球罐示意圖

球罐基礎設計軟件SPCAD（以下簡稱SPCAD軟件）是根據最新版《石油化工球罐基礎設計規范》（SH/T3062-2017）[1]、《石油化工構筑物抗震設計規范》（SH3147-2014）[2]、《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）[5]以及《建筑樁基技術規范》（JGJ94-2008）[6]等規范編制的球罐基礎CAD軟件，能滿足一般工程上的球罐基礎的設計需要，實現從數據輸入到施工圖的全部計算機化。

2 SPCAD軟件的系統結構

為方便以后計算機系統軟硬件的升級，SPCAD軟件采用Microsoft Visual Studio 2010開發平臺，支持中文操作系統：WINDOWS XP、WINDOWS 7等各版本以及AutoCAD R14及以上for WINDOWS（32/64位）各版本的繪圖系統。

2.1 軟件設計流程

通常在進行球罐基礎設計時，先根據設備條件輸入球罐的相關信息，包括球罐直徑、罐體中心高度、支腿截面信息、以及設備計算重量（包括設備空重、操作重量、充水重量、附加重量等），同時根據基礎計算的需要，確定基礎方案（天然地基或樁基）并輸入相對應的地基信息、風荷載及地震荷載信息，才可開始計算。

根據以上設計思路，SPCAD共分為六個子菜單，子菜單界面采用選項卡的形式，選項卡以及每個選項卡內的具體內容，即圖2、圖3、圖4所示。

圖2 SPCAD程序選項卡內容

圖3 SPCAD程序主要內容概要一

圖4 SPCAD程序主要內容概要二

2.2 主要模塊說明

由上述流程圖可見，SPCAD程序將球罐設備信息以及基礎方案信息輸入整合后進行基礎計算，實現從數據錄入到施工圖全過程自動化。

2.2.1 基本數據

基本數據輸入包括通用信息，風、地震數據，材料信息。可將項目設計中的設備位號、所在區域風荷載地震荷載信息以及擬采用的基礎形式，基礎混凝土等級、鋼筋牌號等內容全部輸入在此選項卡內。

2.2.2 設備信息

設備信息主要包含球罐幾何參數、設備自振周期、設備荷載。其中設備自振周期提供了兩種輸入模式，一種為根據輸入的設備鋼支腿截面尺寸以及拉桿與支柱中心線交點處的標高進行自動計算，得到球罐的自振周期；另一種即為用戶自定義周期，不再額外計算。

2.2.3 地基、基礎信息

地基及基礎信息需要輸入地坪標高、基礎底標高、基礎中心圓直徑等，天然地基計算時需要的地基土承載力特征值（修正前）、用于承載力修正的土層重度以及土體類別，以及用于基礎沉降計算的土層壓縮模量等。

此外，根據基本數據中用戶選擇的基礎類型，天然地基或樁基礎還需輸入對應的參數（天然地基又分為獨立淺基礎和環形淺基礎兩種形式）。選擇天然地基形式時，軟件界面會提供球罐支墩的截面尺寸，獨立基礎的長寬比或環形基礎最小寬度的數據。當樁基形式被選擇時，需要輸入的參數除了球罐支墩的截面尺寸之外，還需要單樁承載力特征值、樁直徑、樁長、樁間距和樁邊距等。考慮到實際工程中，設計人員可能會根據工程經驗先預估好天然地基的尺寸或采用多少根樁，SPCAD程序可提供自動計算基礎信息和已知基礎進行驗算兩種模式，供用戶選擇應用。

2.2.4 施工圖

完成前三項的輸入后可調用核心計算模塊，即可輸出繪制施工圖所需要的參數，同時，施工圖選項卡內還需添加地腳螺栓信息、連梁信息用于繪圖。計算輸出的基礎（承臺）配筋結果、短柱墩配筋結果均可顯示在界面上，供用戶根據設計經驗以及項目實際情況進行修改。修改完畢后重新生成繪圖數據，用于AutoCAD自動繪圖。

2.2.5 計算書

SPCAD可提供TXT和Word兩種版本的計算書，供用戶按需選擇。

2.2.6 幫助菜單

程序開發依據、基本原理、軟件操作等內容的詳細說明，可供用戶查閱。

3 SPCAD主要算法及功能

球罐計算流程中主要分為上部計算和基礎計算兩部分。

上部計算中風荷載計算參考球罐規范[1]和荷載規范[3]，地震荷載計算參考構筑物抗震設計規范[2]，這兩種計算較普通建筑物并無太大區別，球罐計算獨特之處主要有以下兩點：

3.1 球罐自振周期計算

球罐自振周期主要用于球罐所受風荷載以及地震荷載的導算。一般由設備專業提供，當缺少相關條件的時候，SPCAD可根據球罐規范[1]自動計算周期。見圖5和下列公式計算：

圖5 球罐立面計算簡圖

式中：T——球罐結構的基本自振周期，s；

K——球罐構架的側移剛度，N/mm；

K1——球罐構架的彎曲剛度，N/mm；

K2——球罐構架的剪變剛度，N/mm；

KC、A、C1、C2、λC——計算參數或系數；

n——支柱根數；

Es——支柱的常溫彈性模量，N/mm2；

Ac——支柱的截面面積，mm2；

DB——支柱中心圓直徑，mm；

Ds——球罐的內直徑，mm；

Hc——支柱底板底面至球罐中心的高度，mm；

H1——支柱的有效高度，mm；

H2——支柱底板底面至拉桿與支柱中心線交點處的距離，mm；

L——相鄰兩支柱間的距離，mm；

Ic——單根支柱截面的慣性矩，mm4；

LW——支柱與球殼之間（一側）焊縫垂直投影長度的一半，mm；

dc——支柱外徑，mm；

θ——拉桿的仰角，℃；

AB——拉桿的截面面積，mm2；

meq——球罐在操作狀態下的等效質量，kg。

3.2 球罐單個支墩頂面荷載效應計算

球罐一般為偶數個支腿，球罐的總重量以及作用于罐體中心點的總水平力和總地震力需要分攤到每一個支墩頂面，才能進行下一步的基礎計算，這也是一般設計人員感到麻煩的地方。根據球罐規范[1]SPCAD程序可自動計算傳至單個支墩頂面的豎向力和水平力，并根據球罐規范[1]和荷載規范[2]進行荷載組合，選出最不利工況。

3.2.1 豎向力計算

單個支墩頂面的豎向力由重力荷載產生的豎向力和作用于球罐中心的水平荷載在單個支墩頂面產生的豎向力兩部分組成。下列公式中的荷載，用于正常使用極限狀態計算時，應采用荷載效應的標準組合、準永久組合；用于承載能力極限狀態計算時，應采用荷載效應的基本組合。

不同狀態下重力荷載產生的豎向力按下式計算：

式中：F′——重力荷載在基礎單個支墩頂面產生的豎向力值，kN；

作用于球罐中心的風荷載或地震作用，在單個支墩頂面產生的豎向力按下列各式計算：

式中：Fi——作用于球罐中心的風荷載或地震作用，在基礎單個支墩頂面產生的豎向力，kN；

FEW——作用于球殼中心的風荷載或地震作用，kN，風荷載標準值按FWK取用，地震作用標準值按FEK取用；

HC——支柱底板底面至球罐中心的高度，m；

R——支柱中心圓半徑，m；

θi——支柱方位角，按式（15）、（16）計算。

圖6 球罐平面計算簡圖（A向）

圖7 球罐平面計算簡圖（B向）

圖8 球罐平面計算簡圖（B向）

（1）當A方向受力時支柱的方位角：

（2）當B方向受力時支柱的方位角：

注：i表示支柱在0～360°范圍的順序號。

3.2.2 水平力計算

傳至基礎單個支墩頂面的水平剪力，其值等于支柱底端拉桿的軸力在拉桿平面內產生的水平分力值（見圖8所示），可利用幾何關系，間接由拉桿作用在相鄰支柱上產生的豎向力求出。

單個支墩頂面的水平剪力，按下列各式計算。i-1支柱所在的支墩頂面剪力Qi-1的方向，作用在拉桿所在的平面內，當Fi-j為壓力時，Qi-1指向i支柱，反之相反。

式中：

Qi-1——單個支墩頂面的水平剪力，kN；

Fi-j——j拉桿作用在i支柱上產生的豎向力值，kN；

H2——支柱底板底面至拉桿與支柱中心線交點處的距離，m；

θj——拉桿j的方位角，按式（19）、（20）計算。

（1）當A方向受力時拉桿j的方位角：

（2）當B方向受力時拉桿j的方位角：

注：i=j+1，j=0，1，2，3……。

在已求得球罐基礎頂面受力情況下，混凝土基礎的計算過程較為常規，即在計算地基承載力或樁基承載力時采用荷載的標準組合；在進行基礎抗沖切、抗剪、抗彎等計算時采用荷載的基本組合；在進行沉降計算時采用準永久組合。SPCAD程序在計算過程中會識別各組合的類型，自動判斷是否適合當前的計算內容，并依據混凝土規范[4]、建筑地基規范[5]、樁基規范[6]中的對應條文完成基礎設計工作。

4 小結

球罐基礎的開發工作已經基本完成，目前正在測試過程中，預計今年即可用于實際設計工程中。SPCAD程序的應用可自動計算或驗算球罐基礎是否滿足規范要求，可提供word或txt版本的計算書并自動繪制基礎施工圖，大大地縮短了設計周期，提高了設計效率。我們也希望隨著軟件越來越多地應用于實際工程，SPCAD程序也將更加完善，更好的服務于球罐工程設計。