鋼儲罐外環墻基礎的設計探討

陳 喜 峰

(中國中材國際工程股份有限公司，江蘇 南京 211100)

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鋼儲罐外環墻基礎的設計探討

陳 喜 峰

(中國中材國際工程股份有限公司，江蘇 南京 211100)

結合工程實例，從外環墻基礎的計算公式及結果兩方面，對比分析了SHT 3068—2007石油化工鋼儲罐地基與基礎設計規范和GB 50473—2008鋼制儲罐地基基礎設計規范的差異性，并給出了鋼儲罐外環墻基礎設計的建議，旨在確保工程設計的經濟合理性。

鋼儲罐，外環墻基礎，計算公式，配筋

在中東沙特阿拉伯地區，石油儲量極為豐富，重油量多且價格便宜，這類國家的水泥廠通常會建設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。

重油一般都是用鋼罐來儲存，需要根據地質情況選擇基礎形式，基礎設計除了要滿足《建筑地基基礎設計規范》外，還要滿足行業和國家的設計規范。根據地質條件的不同，鋼儲罐基礎有三種選擇：護坡式、環墻式和外環墻式(鋼筋混凝土)基礎。涉及到鋼儲罐的規范有兩本：SHT 3068—2007石油化工鋼儲罐地基與基礎設計規范和GB 50473—2008鋼制儲罐地基基礎設計規范。

兩本規范的適用范圍，計算圖形和公式基本相同，但是在鋼儲罐的環墻式基礎計算方面有一定的區別。由于本工程選用的是外環墻式基礎，籍此對兩本規范的外環墻計算內容進行了深入的比較，找出了不同規范的適用范圍，以供廣大設計者參考。

為方便起見，在下文中，兩本規范分別以規范號代替。

1 《SHT 3068》外環墻計算內容[1]

外環墻尺寸示意圖見圖1。

規范6.2.4節，當罐壁位于環墻內側一定距離時(即外環墻式)，外環墻單位高環向力設計值可按下列公式計算。

1)當b1≤H時：

a.在45°擴散角以下的部分，可按式(1)計算：

(1)

b.在45°擴散角以上的部分，可按式(2)計算：

Ft0=(γQwγmb1)KR

(2)

2)當b1>H時:

Ft0=γQmγmHKR

(3)

其中，Ft0為外環墻單位高環向力設計值，kN/m；γ為罐體自重分項系數，可取1.2；b1為外環墻內側至罐壁內側距離，m；Rh為外環墻內側半徑,m；Rt為儲罐底圈內半徑,m；H為罐底至外環墻底高度，m；R為外環墻中心線半徑,m。

3)配筋。規范6.3.2節，外環墻單位高環向鋼筋的截面面積，可按式(4)計算:

(4)

其中，AS0為外環墻單位高環向鋼筋的截面面積，mm2。

2 《GB 50473》外環墻計算[2]

外環墻示意圖見圖2。

規范4.1.4節，外環墻單位高度環向力設計值，可按以下公式計算。

1)當b1≤H時按下列公式計算：

a.在45°擴散角以下的部分：

充水試壓時：

(5)

正常使用時：

(6)

b.在45°擴散角以上的部分：

(7)

(8)

其中，Ft0為外環墻單位高度環向力設計，kN/m；γ為罐體自重分項系數，可取1.2；b1為外環墻內側至罐壁內側距離，m；Rh為外環墻內側半徑，m；Rt為儲罐底圈內半徑，m；H為罐底至外環墻底高度，m；R為外環墻中心線半徑，m。

3)配筋。

規范4.2.2節，外環墻單位高度環向鋼筋的截面面積，可按下式計算:

其中，AS0為外環墻單位高度環向鋼筋的截面面積，mm2;Ft0為外環墻單位高度環向力設計值，kN/m；當b1≤H時，在45°擴散角以下的部分取式(5)和式(6)的較大值。

3 兩本規范的比較

3.1 計算公式的差異

樣本按“1.3”項試驗條件進行氣相色譜質譜分析，對應總離子流色譜圖如圖1所示。從圖1可以看出，試驗用氣相色譜條件滿足紫椴鮮花揮發性成分的分離要求。經氣相色譜-質譜聯用儀分析，用NIST05數據系統檢索，分離出55個色譜峰，最終鑒定44種成分，占總面積的96.71%。揮發性成分分析及面積歸一化法定量結果見表1。表1 數據說明，紫椴花主要揮發性有機成分有芳樟醇(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，占揮發性物質總量的83.36%。

兩種規范的計算參數，比如外環墻內側半徑，儲罐底圈內半徑，外環墻中心線半徑的定義基本一致，但在計算公式上存在著以下很明顯的區別：

1)在計算外環墻單位高度環向力設計值和環向鋼筋的截面面積時，規范《SHT 3068》僅考慮了充水狀態，沒有考慮儲存介質的狀態；規范《GB 50473》則考慮了充水試壓和儲存介質的兩種狀態，并將儲液重劃為可變荷載考慮，按《建筑結構荷載規范》的3.2.4條，分項系數取1.3(標準值大于4 kN/m2的活荷載)。

3)γQm分項系數，在規范《SHT3068》中取1.0，在規范《GB50473》中取1.2。

3.2 計算結果Ft0的差異

已知γw=9.80kN/m3，另假定hw=hL。

1)b1≤H時：

在45°擴散角以下的部分：規范《GB50473》，γQL=1.3，γQw=1.1，γQm=1.2。

(9)

(10)

當γL≥8.3kN/m3時，Ft0取式(10)的計算結果。

規范《SHT3068》中，γQw=1.1，γQm=1.0。

(11)

若要取規范《GB 50473》式(10)的Ft0，必須得:

在45°擴散角以上的部分：

規范《GB50473》：

(12)

規范《SHT 3068》：

Ft0=(γQwγmb1)KR

(13)

按規范《SHT 3068》計算的Ft0值較大。

2)當b1>H時：

(14)

《SHT 3068》：Ft0=γQmγmHKR

(15)

按規范《SHT 3068》計算的Ft0值較大。

4 實例

沙特某地電廠配套工程，FUEL OIL TANK項目，三個油罐儲存的是重油，密度為9.80 kN/m3，單個油罐的儲量為5 000 m3，場地土為中硬土，選擇外環墻式基礎，外環墻計算圖形同圖2。

已知參數：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 按規范《SHT 3068》計算

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

在45°擴散角以下的部分：

Ft0=766.4 kN/m,AS0=2 129 mm2。

在45°擴散角以上的部分:

Ft0=24.4 kN/m;AS0=68 mm2。

整個截面的環向鋼筋面積：

0.3×68+0.7×2 129=1 511 mm2。

規范9.1.5構造配筋：

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。

整個截面的環向鋼筋面積：0.9×225=203 mm2。規范9.1.5構造配筋：300×900×0.4%=1 080 mm2。

配筋取構造：1 080 mm2。

4.2 按規范《GB 50473》計算

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

在45°擴散角以下的部分：

充水試壓時：Ft0=736.3 kN/m；

正常使用時：Ft0=816 kN/m；

取Ft0=816 kN/m，AS0=2 267 mm2。

在45°擴散角以上的部分：

Ft0=13.3 kN/m，AS0=37 mm2。

整個截面的環向鋼筋面積：

0.3×37+0.7×2 267=1 598 mm2。

規范7.1.14構造配筋：

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。

整個截面的環向鋼筋面積：0.9×135=122 mm2。

規范7.1.14構造配筋：300×900×0.4%=1 080 mm2。

配筋取構造：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，并將計算結果列于表1。

表1 計算結果表

從以上計算結果可以看出，對于本例中5 000 m3儲量的中型油罐，在b1≤H時，取γL=8.6 kN/m3，兩本規范的計算配筋結果基本一致，取γL=10.0 kN/m3，兩本規范的計算配筋差值僅在7%左右。由于兩本規范都不適用于儲存介質自重大于10 kN/m3儲罐的地基與基礎設計，7%的差值基本上是極限狀態。

5 結語

因為環基構件作為彈性地基上的圓環是一種具有無數彈性支承的高次超靜定結構，從裂縫觀察中發現，裂縫很少有貫穿整個環基高度的，環基事實上具有很高的安全儲備[3]。所以在進行5 000m3儲量左右的油罐外環墻基礎的計算時，可以按石油化工行業標準《SHT3068》的公式計算，在γL較大時，將配筋結果適當加大即可，不必再用國家標準《GB50473》的公式校核，就能滿足經濟性和安全性的要求。

[1]SHT3068—2007，石油化工鋼儲罐地基與基礎設計規范[S].

[2]GB50473—2008，鋼制儲罐地基基礎設計規范[S].

[3] 賈慶山.儲罐基礎工程手冊[M].北京：中國石化出版社,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，高級工程師，一級結構注冊工程師

TU471

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