鋼制儲罐基礎設計探討

龔安蘇

(中國成達工程有限公司,四川成都 610041)

鋼制儲罐基礎設計探討

龔安蘇

(中國成達工程有限公司,四川成都 610041)

鋼制儲罐是目前國內外石油化工企業的主要建構筑物之一。作為一種常見的石油化工設備，環墻基礎設計困擾著不少年輕設計人員，特別是環墻厚度以及環向力的計算。文章通過對環墻厚度公式推導，并分析影響環墻厚度因素，給出調整環墻厚度建議。并比較不同規范計算環向力的優缺點，給出環墻環向力的計算建議方法。最后通過一個鋼儲罐基礎的工程實例，驗證了建議方法的適用性和正確性。

鋼儲罐； 環墻基礎； 環向力； 計算方法

鋼制儲罐是目前國內外石油化工儲運的主要構筑物之一。隨著我國經濟建設的發展，石油化工工業在國民經濟建設中扮演著越來越重要的角色。鋼制儲罐是石油化工生產儲運中的重要環節，鋼制儲罐在使用中要求基礎平穩，不產生過大不均勻變形。儲罐基礎設計是石油化工構筑物設計中的重要內容，關乎到儲罐的安全和正常使用。在工程設計中，鋼制儲罐基礎設計根據儲罐類型不同也有所區別。

本文運用現行規范GB50473-2008《鋼制儲罐地基基礎設計規范》(國標GB50473-2008，下同)和SH/T3068-2007《石油化工鋼儲罐地基與基礎設計規范》(行標SH/T3068-2007，下同)對一般儲罐環墻基礎設計進行比較研究；分析了罐壁底端傳給環墻頂端的豎向線分布荷載標準值gk、儲罐重量、介質高度、介質重度、環墻高度以及構造要求對環墻厚度的影響，有助于通過優化設計，降低環墻厚度。同時比較兩種規范計算儲罐環墻基礎單位高度的環向力設計值的差異，并給出建議計算方法。通過一個鋼儲罐基礎的工程實例，驗證了建議方法的適用性和正確性。

1 環墻基礎厚度確定

鋼制儲罐環墻式基礎與一般建構筑物基礎有很大的區別。一般建構筑物上部荷載都是通過基礎傳遞和擴散到地基上的，基礎是建構筑物不可缺少的一部分。然而鋼儲罐的荷載大部分不是通過環墻基礎傳遞給地基，而是通過環墻基礎內罐底填料墊層直接傳遞給地基。環墻式基礎作為儲罐罐壁與地基的連接體，承受著儲罐罐壁、罐壁上附屬構件、罐頂(不包括浮頂罐的浮頂)、罐壁外的保溫材料以及環墻頂上小部分介質的荷載。鋼筋混凝土環墻基礎能很好的約束環墻基礎內各層壓密的墊層，使各層壓密墊層形成的圓柱形彈性塊體能與環墻共同工作，承受并傳遞上部罐體的全部荷載。

1.1 按國標GB 50473-2008計算環墻厚度

當儲罐罐壁位于環墻頂面時，儲罐環墻基礎厚度計算公式是根據環墻底部壓強P1和環墻內側同一水平地基土壓強P2相等標準值的條件推導得來的。儲罐環墻基礎剖面如圖1所示。

圖1 儲罐環墻基礎剖面

(1)

(2)

P2=γLhL+γmh

(3)

由式(1)～式(3)推導出規范環墻基礎厚度b計算公式(4.1.2)如下：

(4)

式中：b為環墻厚度(m)；gk為罐壁底端傳至環墻頂端的豎向線分布荷載標準值，當為浮頂罐時，僅為罐壁的重量(包括保溫層)，當為固定頂罐(包括內浮頂罐)時，應為罐壁和罐頂的重量(包括保溫層)(kN/m)；β為罐壁深入環墻頂面寬度系數，可取0.4～0.6，宜取0.5；γc為環墻的重度(kN/m3);γL為罐內使用階段儲存介質的重度(kN/m3);γm為環墻內各層填料的平均重度(kN/m3);hL為環墻頂面至罐內最高儲液面高度(m)；h為環墻高度(m)。

1.2 按行標SH/T 3068-2007計算環墻厚度

根據行標SH/T3068-2007第6.1.1條，可知環墻基礎厚度計算公式與國標GB50473-2008第4.1.2條相應計算公式一致，都只考慮正常操作階段工況下環墻厚度。

1.3 環墻厚度影響因素

通過分析公式(4)，可知環墻厚度與gk、γL、hL、h等參數有關。當其他條件不變時，罐壁底端傳至環墻頂端的豎向線分布荷載標準值gk值越小，環墻厚度b越小；儲存介質的重度γL越大，環墻厚度b越小；最高儲液面高度hL越大，環墻厚度b越小；環墻高度h越小，環墻厚度b越小。而不是我們常規認為儲存介質的重度γL越大，最高儲液面高度hL越大，儲罐基礎底面處的平均壓應力值越大時環墻厚度越大。因為環墻基礎厚度計算公式是根據環墻底部壓強P1和環墻內側同一水平地基土壓強P2相等條件推得，所以當鋼儲罐條件一定時，γL和hL越小時，P2就越小，gk不變，要使P1=P2，必然要增大環墻厚度；當介質重度γL接近零的極端情況，計算得出環墻罐基礎應為圓形大板基礎。

2 環墻基礎單位高度環向力設計值

2.1 按國標GB 50473-2008計算

環墻單位高度的環向力設計值可分充水試壓和正常使用兩種工況。

2.1.1 充水試壓工況

充水試壓時，可按下式計算：

(5)

式中：Ft為環墻單位高度的環向力設計值(kN/m);γQW、γQm為水、環墻內各層填料自重分項系數，γQW可取1.1，γQm可取1.2；γW、γm為水的重度、環墻內各層填料的平均重度(kN/m3)，γW可取9.8，γm宜取18.0；hW為環墻頂面至罐內最高儲水面高度(m)；K為側壓力系數，一般地基可取0.33，軟土地基可取0.5；R為環墻中心線半徑(m)。

2.1.2 正常使用工況

正常使用時，可按下式計算：

(6)

式中：Ft為環墻單位高度環向力設計值(kN/m);γQL為使用階段儲存介質分項系數，可取1.3；γL為使用階段儲存介質的重度(kN/m3)hL為環墻頂面至罐內最高儲液面高度(m)；

2.2 按行標SH/T 3068-2007計算

環墻單位高度的環向力設計值，只考慮充水試壓情況，可按下式計算：

Ft=(γQWγWhW+γQmγmh)KR

(7)

式中：Ft為環墻單位高度的環向力設計值(kN/m);γQW、γQm為水、環墻內各層填料自重分項系數，γQW可取1.1，γQm可取1.0；γW、γm為水的重度、環墻內各層填料的平均重度(kN/m3)，γW可取9.8，γm宜取18.0；hW為環墻頂面至罐內最高儲水面高度(m)；K為側壓力系數，一般地基可取0.33，軟土地基可取0.5；R為環墻中心線半徑(m)。

比較國標與行標的環墻單位高度的環向力設計值計算公式，發現兩本規范有幾處不同：

(1)國標GB50473-2008分別按充水試壓和正常使用兩種工況分別考慮，取不利值；行標SH/T3068-2007只考慮充水試壓一種工況，未考慮正常使用工況。

(2)充水試壓工況兩本規范環墻內各層填料自重分項系數γQm有不同，國標取1.2，行標取1.0。

(3)環墻基礎內側各層填料對環墻的側向土壓力，行標按矩形分布考慮；國標按梯形分布考慮，更符合實際應力分布。

3 工程實例對比計算

3.1 設計條件

某工程位于延安市富縣境內，基礎持力層為強夯壓實回填黃土地基，承載力特征值不小于200kPa。以原料儲存罐區一個容積1 040m3的鋼制儲罐為例，罐內直徑為12.2m，罐高為10.761m，環墻頂面至罐內最高儲液面高度為7.565m，罐內使用階段儲存介質的重度為6.72kN/m3，儲罐凈重為580kN，使用階段操作重為6493kN，充水試壓階段總重為10 950kN，儲罐底板厚11mm、直徑12.324m，水重度取9.8kN/m3，環墻重度為25kN/m3，環墻頂面高出地面0.7m，環墻基礎埋深1.0m, 環墻總高度1.7m，環墻內各層填料的平均重度18kN/m3, β取0.5。

3.2 環墻厚度計算

根據GB50473-2008和SH/T3068-2007進行計算。

儲罐底板重 ：

環墻頂端的豎向線分布荷載標準值：

環墻基礎厚度：

據儲罐條件，儲罐凈重荷載不是很大，儲存介質的重度也只有6.72kN/m3，為什么按規范公式計算環墻厚度接近1m。

通過計算環墻基礎底面和環墻基礎內側同一水平處壓強：

P2=6.72×7.565+18×1.7=81.44 kPa

可以看出P1=P2遠小于地基土承載力200kPa，由于儲罐需要預埋地腳螺栓，根據地基土地質條件，儲罐條件以及過往項目經驗環墻式儲罐基礎只要不出現不均勻變形，一般不會影響儲罐的正常使用。故本儲罐根據構造要求環墻厚度取0.65m時，P1=87.07kPa，P2=81.44kPa，基礎底面兩處壓應力雖略有差別，但是仍然遠小于地基承載力，能夠滿足鋼儲罐正常使用要求，故環墻厚度取0.65m是可行的。

3.3 環墻單位高度環向力計算

3.3.1 根據國標GB50473-2008計算

(1)充水試壓時。

(2)正常使用時。

3.3.2 根據行標SH/T3068-2007計算

規范SH/T3068-2007只考慮充水試壓工況，

Ft= (1.1×9.8×10.761+1.0×18×1.7)×0.5×6.1=447.1 kN

常壓儲罐的儲存介質的重度都是小于10kN/m3石化產品以及類似介質，通過以上實例計算可知充水試壓工況環墻基礎的環向力較為不利。兩本規范計算公式組合系數略有不同，填料層側向壓力計算公式不同(梯形分布和矩形分布)。環墻側向土壓力梯形分布更接近真實情況，且兩種計算公式環向力計算誤差只有9.1 %，都能夠保證儲罐使用階段的正常安全運行。根據過往經驗以及土壓力分布狀態，本文建議按照GB50473-2008《鋼制儲罐地基基礎設計規范》要求計算基礎環向力。

4 結語及建議

(1)通過研究兩本規范儲罐環墻厚度計算公式，可知環墻厚度取決于儲罐重量、環墻頂面至罐內最高儲液面高度、罐內使用階段儲存介質的重度、環墻高度等影響因素，分別降低儲罐重量、增加介質重度、增加介質高度、減小環墻高度都有助于降低環墻厚度。介質重度越輕，介質高度越小，環墻厚度反而增大，不是我們常規認為介質的重度越大，介質高度越大，儲罐基礎底面處的平均壓應力值越大時環墻厚度越大。因此，設計人員在進行儲罐環墻設計時要對計算公式原理，基地應力分布以及地基地質條件進行深入分析，使得設計的罐基礎經濟合理，安全適用。

(2)當儲罐儲存介質重度很小，且罐基礎底面平均附加應力遠小于地基承載力時，可以適當減小環墻厚度。這樣環墻基礎更為經濟合理，且不會影響儲罐的正常使用。

(3)通過對規范公式理論分析和工程實例計算，GB50473-2008《鋼制儲罐地基基礎設計規范》計算環墻基礎的環向力采用的各層填料墊層側壓力分布更符合實際情況。

[1]GB50473—2008 鋼制儲罐地基基礎設計規范 [S].

[2]SH/T3068—2007 石油化工鋼儲罐地基與基礎設計規范 [S].

[3]HG/T20643—2012化工設備基礎設計規定 [S].

TU470+.2

A

[定稿日期]2017-06-09

龔安蘇(1982～)，男，碩士，工程師，一級注冊結構工程師，從事建筑結構設計與研究工作。