低溫儲罐基礎(chǔ)設(shè)計及探討

1、<p>　　低溫儲罐基礎(chǔ)設(shè)計及探討</p><p>　　摘要：本文總結(jié)了低溫儲罐基礎(chǔ)的幾個特點及其荷載分布的特點，列舉了基礎(chǔ)的荷載情況，摘錄了國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)條款和規(guī)定。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：低溫 儲罐 基礎(chǔ) 荷載 </p><p>　　中圖分類號：S611文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： </p><p>　　近幾年來我們在

2、設(shè)計中經(jīng)常遇到低溫介質(zhì)（主要有液態(tài)乙烯、丙烯、液氧、液氮、液氬等）的儲罐設(shè)計問題，與普通立式儲罐最大的不同在于它的低溫并有因儲存液體汽化而形成的內(nèi)壓的特點。罐內(nèi)的溫度可達-165℃，罐體可分為單壁和雙壁兩種形式。由于雙壁全包容罐（外壁為預(yù)應(yīng)力混凝土）基礎(chǔ)大多為國外工程公司和罐體、罐壁一起設(shè)計，本文主要探討有關(guān)單壁低溫儲罐基礎(chǔ)的有關(guān)問題。 </p><p><b>　　基礎(chǔ)選型 </b><

3、;/p><p>　　目前我們石化行業(yè)的相關(guān)規(guī)范中還沒有針對此類儲罐的相關(guān)設(shè)計規(guī)范，就我們結(jié)構(gòu)專業(yè)而言，現(xiàn)行的《石油化工企業(yè)鋼儲罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(SH3068-95)總則1.0.1條中已明確寫道:“本規(guī)范不適用于儲存低溫、劇毒、酸、堿腐蝕介質(zhì)和介質(zhì)自重大于10kN/m3及架高儲罐的地基與基礎(chǔ)的設(shè)計”，這就給我們帶來了新的問題--如何設(shè)計這類基礎(chǔ)！ </p><p>　　盡管此類基礎(chǔ)上一般設(shè)

4、有泡沫玻璃磚保溫層，但由于考慮泄漏等事故狀態(tài)的原因，基礎(chǔ)還需考慮受凍的可能性，因此采取必要的防凍措施。一般來說，普通的儲罐基礎(chǔ)不需要設(shè)計地腳螺栓，但對于低溫儲罐，由于其內(nèi)部介質(zhì)均為低溫介質(zhì)，無論采取何種保冷措施，都會有冷量損失，介質(zhì)溫度升高，其內(nèi)部壓力必然增大。為了避免罐內(nèi)壓造成的儲罐邊緣“上舉”，所以低溫儲罐基礎(chǔ)邊緣都設(shè)置錨栓。考慮到罐壁和罐底由于溫度變化而會產(chǎn)生位移，不能簡單的采用直錨栓錨固，一般采用如右圖所示的扁鋼錨固帶，既簡單又

5、能適應(yīng)罐體變形要求（a值為預(yù)留罐壁位移量）。可見這種低溫儲罐基礎(chǔ)的設(shè)計要比常規(guī)儲罐復(fù)雜一些。 </p><p>　　在美國石油協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《大型低壓焊接儲罐設(shè)計與施工（API620）》附錄R中對這種低溫儲罐的基礎(chǔ)設(shè)計給出了一些建設(shè)性意見；英國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《低溫用平底、立式、圓柱形儲罐.預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土罐基礎(chǔ)的設(shè)計和制造及罐內(nèi)襯和罐涂層的設(shè)計和安裝推薦方法》（BS7777-3：1993）中也給出了低溫罐基礎(chǔ)的類型：環(huán)

6、梁基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)、樁筏基礎(chǔ)、高承臺基礎(chǔ)。設(shè)計人員可根據(jù)地質(zhì)狀況、承載力、沉降等方面來選擇基礎(chǔ)形式。當(dāng)天然地基承載力及沉降均滿足要求，可采用環(huán)墻基礎(chǔ)或筏板基礎(chǔ)；淺層無較好的持力層，不能滿足設(shè)計要求時，則采用樁筏基礎(chǔ)及高承臺基礎(chǔ)，如采用環(huán)梁及筏板基礎(chǔ)，位于罐底的混凝土筏板或者地基土必然受到凍害，為防止這種現(xiàn)象，就必須采取電加熱方式，將溫度傳感器及輔助加熱系統(tǒng)埋在混凝土中或砂墊層中，依靠通電加熱，防止凍害。但在實際設(shè)計中，考慮到這種儲罐基礎(chǔ)的

7、重要性和危險性，以及采用電加熱需要日常的操作維護，工程費用較高等原因，國內(nèi)已完成低溫儲罐基礎(chǔ)均采用架空基礎(chǔ)。此時地面和儲罐基礎(chǔ)底板之間形成空氣隔層，維持基礎(chǔ)底面與外界溫度一致，保持良好通風(fēng)，利用空氣流動使基礎(chǔ)底面與頂面溫度梯度盡量大，從而保證基礎(chǔ)內(nèi)部的溫度與常</p><p>　　采用架空基礎(chǔ)后，隨之而來的就是支撐柱（樁）及頂板的設(shè)計，根據(jù)國內(nèi)已建成的低溫罐及近幾年本人設(shè)計的一些工程實例，這種架空基礎(chǔ)大致可分為三

8、類：高樁承臺；柱+無梁樓蓋；框架結(jié)構(gòu)。首先，高樁承臺設(shè)計時將樁頂標(biāo)高設(shè)計為錨入頂板的高度，樁身露出地面較長，應(yīng)按《建筑樁基設(shè)計規(guī)范》JGJ94-2008中第5.2節(jié)、第5.8節(jié)以及附錄C的的有關(guān)規(guī)定考慮壓曲的影響，按大偏心受壓計算，對樁身承載力進行復(fù)核。其結(jié)果比按正常設(shè)計的樁配筋大許多，因此此部分樁身應(yīng)與普通樁區(qū)別設(shè)計。而頂板則按無梁樓蓋設(shè)計。但此種基礎(chǔ)類型也有其局限性，當(dāng)樁承載力較低時，由于布樁間距較小，就會給施工帶來困難，樁機移動不

9、便，很容易將已完工的樁身破壞。此時柱+無梁樓蓋結(jié)構(gòu)可解決此問題，但這前兩種基礎(chǔ)形式其實都是板柱結(jié)構(gòu)，由于上部荷載較大，基礎(chǔ)可能受到較大側(cè)向外力（水平地震力）一般情況需要增設(shè)剪力墻或其他抗側(cè)向力構(gòu)件,以限制結(jié)構(gòu)的水平位移，增強抗地震、抗風(fēng)的能力，在柱頂或樁頂設(shè)置柱帽或樁帽以提高節(jié)點剛度。但對于此類低溫罐基礎(chǔ)，頂板下部要求通暢，保持空氣流通，因此對墻體布置帶來了難度。 </p><p>　　在最近的一些過程中，我們對

10、以上兩種基礎(chǔ)類型進行了改進，將其設(shè)計為框架結(jié)構(gòu)（如上圖所示），在柱之間設(shè)框架梁，這樣主要頂板的受力構(gòu)件就變成了梁，頂板厚也可以相應(yīng)變薄，板變薄后也更有利于冷量的迅速傳遞，也增強了結(jié)構(gòu)的抗震性能。由于罐主要荷載都集中在內(nèi)罐，我們布置梁柱時均將外圈柱布置在內(nèi)罐壁下方，外側(cè)采用懸臂梁板支撐外罐壁及內(nèi)外罐壁間的保溫材料，這樣布置受力比較明確。罐容積較小時（5000m3以下）柱可按環(huán)形布置，罐容積較大時可按柱方格網(wǎng)狀布置（如下圖所示）。但需注意的

11、的是，由于低溫儲罐設(shè)有錨固帶，而其錨固帶形式多為錨板式。因儲罐荷載較大，梁配筋率較大，在梁柱節(jié)點處梁柱鋼筋交錯，鋼筋較密，錨固帶很難放置，因此我們在布置外環(huán)柱子時要注意盡量避開錨固帶的位置。地下部分則可根據(jù)地質(zhì)情況設(shè)計為柱下樁承臺+基礎(chǔ)拉梁或樁筏基礎(chǔ)。由于低溫介質(zhì)位于內(nèi)罐中，而內(nèi)罐底部砌筑有泡沫玻璃磚隔冷，罐基礎(chǔ)不會直接受凍，因此設(shè)計時不再要求基礎(chǔ)混凝土的抗凍等級。 </p><p><b>　　荷載及

12、荷載組合 </b></p><p>　　低溫儲罐的荷載也與一般儲罐有所不同，《石油化工企業(yè)鋼儲罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(SH3068-95)中對地震作用無明確規(guī)定，而在《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》SH/T 3147-2004中第6.2.1條中規(guī)定： 6度時的構(gòu)筑物；7度、8度和9度時，地基靜承載力標(biāo)準(zhǔn)值分別大于80、100、120kPa且高度不超過25m(含支撐設(shè)備的高度)的構(gòu)筑物（包括儲罐）可不進行

13、地基和基礎(chǔ)的抗震承載力驗算。低溫儲罐如采用天然地基上的環(huán)梁或筏板基礎(chǔ)在滿足上述規(guī)定的前提下，就沒有必要進行地震驗算。如果采用樁基，就必須按第6.5節(jié)的要求進行判定是否需要驗算抗震。而對于架空基礎(chǔ)就必須要進行地震驗算了。 </p><p>　　儲罐本體的抗震驗算是按中震進行計算的，與結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計時只驗算小震是不同的。在API620附錄L中第L.8.4條中規(guī)定“除非另有要求，由于地震可能產(chǎn)生滑動的儲罐可以用0.4倍的

14、滑動摩擦系數(shù)乘以作用在儲罐底部的力?！边@就是說儲罐本體的水平地震力可以乘以0.4的折減系數(shù)后，再作用到儲罐基礎(chǔ)上進行驗算。由于設(shè)計條件中的地震附加力矩僅作用到罐體底部，因此設(shè)計儲罐基礎(chǔ)時還要考慮地震時由罐內(nèi)液體橫向移動而產(chǎn)生的附加彎矩及由此產(chǎn)生對柱或樁的附加豎向力。 </p><p>　　為了檢驗罐體焊縫質(zhì)量，檢查罐體密閉性，水壓試驗是儲罐設(shè)計及施工中必不可少的環(huán)節(jié)，但由于試水時間短及作用的間斷性，屬于短暫工況，

15、在API620附錄R第R.10.3條中規(guī)定“水壓試驗過程中，基礎(chǔ)上的總荷載不能大于地基承載力允許值的125%”，按此可以將試水總荷載乘以0.8的折減系數(shù)，考慮到這種罐的重要性，建議水壓試驗荷載分項系數(shù)取1.1，小于恒載的分項系數(shù)1.2. </p><p>　　在確定了地震及水壓試驗荷載后，就可按表一的荷載進行基礎(chǔ)計算。對于這種儲罐，一般考慮驗算正常工作(滿罐)、水壓試驗(滿罐)、安裝建造(空罐)三種工況。除上述水

16、壓試驗荷載分項系數(shù)取1.1外，其他荷載的的分項系數(shù)可按國內(nèi)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)取值。 </p><p><b>　　沉降要求 </b></p><p>　　對于大型儲罐基礎(chǔ)的設(shè)計，控制沉降是很重要的一個問題，也是確定基礎(chǔ)形式、選擇樁端持力層即樁長的重要因素。從工藝配管角度來看，基礎(chǔ)沉降越小越好，但從結(jié)構(gòu)專業(yè)而言，基礎(chǔ)的沉降是很難避免的，所以確定一個合理的基礎(chǔ)沉降限值是很必要的

17、，在BS7777-3：1993中規(guī)定：“儲罐的允許沉降限值是儲罐的最大變形限量，儲罐基礎(chǔ)設(shè)計者與儲罐設(shè)計者應(yīng)就最大整體沉降和不均勻沉降的限制達成一致”，由此可見不僅結(jié)構(gòu)專業(yè)控制地基變形，工藝配管、設(shè)備等專業(yè)也要采取必要措施來適應(yīng)和減輕由地基變形而帶來的問題，如管口采用柔性連接等。計算沉降時荷載取標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮風(fēng)荷載與地震作用下引起的附加壓力。在此規(guī)范中還給出了不均勻沉降的限制供參考。 </p><p>　　表二

18、不均勻沉降限值 </p><p>　　沉降類型 不均勻沉降限值 </p><p>　　儲罐傾斜 1：500 </p><p>　　儲罐底板從儲罐邊緣至中心沿徑向的沉降 1：300 </p><p>　　沿儲罐周邊沉降 1：500，不超過儲罐傾斜計算出的最大 </p><p><b>　　沉降量 </b&

19、gt;</p><p>　　從國內(nèi)的儲罐規(guī)范可以看出，均未規(guī)定沉降量的絕對值，給出的都是沉降差/比等相對值，所以控制不均勻沉降就成了設(shè)計的重點。我們在設(shè)計中考慮到此類基礎(chǔ)重要性，均采用了樁筏基礎(chǔ)，布樁時內(nèi)密外松，樁基持力層均為較好的土層或巖層，盡量避免不均勻沉降。 </p><p><b>　　4結(jié)語 </b></p><p>　　通過工程實例

20、的設(shè)計，低溫儲罐的基礎(chǔ)設(shè)計在基礎(chǔ)選型及布置上應(yīng)結(jié)合地質(zhì)條件及工藝條件，以及其受力特點作出合理的選擇。計算中應(yīng)注意地震力帶來的附加荷載的計算，這也是其與普通儲罐受力的不同點?？梢钥闯?，此類基礎(chǔ)的設(shè)計不同于普通立式儲罐，有其自身的一些特點，設(shè)計時應(yīng)慎重對待。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　1 美國石油協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《大型低壓焊接儲罐設(shè)計與