儲罐儲液作用標準值及其分項系數的研究

賈桂敬 甄 軍 渠 強 中海油石化工程有限公司 濟南 250101

對于結構承載能力極限狀態設計，在其它基本變量恒定的情況下，作用分項系數的不同取值直接決定了結構可靠度水平的高低。在化工裝置建筑結構設計中，如果能做到針對不同的工況和實際的工藝操作條件，基于結構構件目標可靠指標β值，合理取用適度的作用分項系數值，結構設計將獲得較好的經濟指標。《鋼制儲罐地基基礎設計規范》[1]GB 50473-2008第3.3.4條、《石油化工球罐基礎設計規范》[2]SH/T 3062-2017第5.4.2條均規定：在正常操作時，罐內儲液作用效應分項系數為1.3。上述兩標準對儲罐/球罐儲液標準值的取值方法雖未作出詳細的說明，但可以推斷出此處分項系數的取值是基于儲液的操作液位最大值確定的，而不是按照設計液位給出的數值。在實際工程中，存在以最高的設計液位來確定儲液標準值，而儲液重量作用分項系數仍然取1.3的工程案例。如此的設計方法，理論上是不嚴謹的，經濟上也是不合理的。

1 儲罐儲液重量標準值的取值依據及原則

1.1 儲罐工況及儲液作用屬性分析

1.1.1 化工裝置的有界作用

有界作用是指具有不能被超越的且可確切或近似掌握界限值的作用。結構上的作用隨時間變化的規律一般采用隨機過程的概率模型進行描述，當有充分觀測數據時，作用的標準值應按在設計基準期內最不利作用概率分布的某個統計特征確定；對有明確界限值的有界作用，作用的標準值應取其界限值。

化工工程結構的許多作用，其作用值由于受到工藝條件的限制而具有不能被超越的界限值，例如儲罐儲液的最高設計液位、敞口容器的物料儲存高度、操作工況下容器中的設計液位重、試驗工況水壓試驗的水重、水池內滿水重、安裝檢修工況的額定起吊重量等。根據有界作用的特點，有界作用的概率統計不能選用經典的概率模型，應選用截尾概率分布類型。

1.1.2 儲罐操作工況分析

《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》[3]GB 50341-2014給出了儲罐操作液位和設計液位的定義，見圖1。

Vmax——最大儲存容量； V1——正常操作殘留容量；V2——有效操作容量； V3——預留保護容量； h0——罐底板上表面；h1——最低操作液位； h2——正常操作液位； h3——設計液位； h4——罐壁頂部

根據圖1儲罐容量與液位關系可知：

(1)儲罐有效操作容量為正常操作液位與最低操作液位之間的容量。儲液操作液位是一個變化的范圍，一般情況下，儲液達到該液位的最高液位時，儲罐工藝設計要求自控系統作出報警和聯鎖反應，即儲罐儲液操作液位是可控的，但存在超越的概率。因此，不同時段操作液位最大值為隨機變量，符合常見可變作用的概率特征，屬于無界作用。

(2)儲罐最大儲存容量為儲存介質液面達到設計液位時的容量。儲液設計液位是極限罐容液位，此液位的儲液重量作為儲罐基礎設計的作用標準值是可控且不可超越的，屬于有界作用。

1.2 儲罐儲液重量作用標準值的取值分析

當儲罐儲液重量作用標準值按照儲罐正常操作的最高液位(圖1中h2)取值時，則儲罐地基基礎的設計執行現行儲罐基礎設計規范的規定。

當儲罐儲液重量作用標準值根據設計液位(圖1中h3)取值時，符合《建筑結構可靠性設計統一標準》[4]GB50068-2018第5.2.6條，對有明確界限值的有界作用，作用的標準值應取其界限值的規定。

1.3 儲罐基礎設計的荷載條件

當前行業的儲罐基礎設計中，工藝或管道專業向結構專業提出的荷載條件，一般沒有區分操作液位和設計液位對應的儲液重量，結構專業對此也是模糊的，僅僅將儲液重量作為可變作用，按照現行儲罐基礎設計規范的要求進行設計。因此，主導專業的荷載提資，對于分別具有不同概率特征的操作液位和設計液位應分別提出罐容重量。

2 儲罐儲液重量的作用分項系數

2.1 作用分項系數與結構可靠度的關系

作用分項系數是概率極限狀態設計的最基本特征，在以概率理論為基礎、以分項系數表達的極限狀態設計方法中，將結構可靠度的目標要求分解到各分項系數的設計取值中，作用的標準值通過分項系數與結構可靠指標β建立了對應關系，這些分項系數代替了可靠指標β，反映了隨機性作用與結構可靠度的關聯關系。

作用分項系數應根據作用的概率分布和統計參數及規定的可靠指標通過計算分析確定，在化工工程結構中可根據裝置實際的工藝操作狀況并結合工程經驗采用不同的值。作用(包括永久作用、可變作用等)分項系數取值越高，相應的結構可靠度設置水平也就越高。

2.2 儲罐重量可變作用標準值的概率特性分析

現行儲罐基礎設計規范均將儲罐儲液重量視為可變作用，但儲液可變作用屬性不同于普通的可變作用，主要區別是儲罐儲液重量的標準值并非基于統計數據的樣本函數按照設計基準期50年內最大荷載概率分布的某個分位值確定的，而是根據儲罐結構、工藝生產及控制聯鎖的實際情況得出的作用標準值。

對應于操作液位的標準值，液位變化的最大值具有概率的某些特征，其超越概率是由連鎖的延遲或切斷物料入口的延遲所造成；對應于設計液位的標準值，對于某個具體的設備，是一個固定值，因此屬于有界作用的范疇，不具有概率分布的特征。

2.3 現有標準對于有界可變作用分項系數的取值規定

對于有界作用的分項系數，在《石油化工建(構)筑物結構荷載規范》[5]GB 51006-2014中有明確的規定：當正常操作工況下，可變荷載采用極限值時，分項系數應取1.0。

2.4 儲罐設計液位標準值與分項系數取值分析

有額定限值的可變作用，取其額定限值作為標準值。本文以常見可變作用標準值的超越概率為基準，對儲罐儲液設計液位重量標準值的超越概率進行對比分析，從而推斷該液位重量作用分項系數。

儲罐儲液重量的分項系數的取值是否滿足既定的可靠指標，關鍵是看儲罐儲液重量的標準值的超越概率，即經過分析判斷得到儲罐設計液位重量作用效應的超越概率，與常規可變作用的概率特性進行比對，判斷可靠度水平的高低。

目前的國家標準中，對作用標準值最大值概率分布分位值的百分位無規定要求，但根據ISO2394的核心思想，儲罐儲液標準值產生的作用效應的超越概率不大于5%時，儲罐基礎結構則可以達到現行國家標準規定的可靠指標。

為什么具有限值特性的可變作用的分項系數可認定為γQ=1.0呢？一般情況下，作用的標準值Qk=μ+1.645σ=μ(1+1.645δ)，作用標準值的確定方法見圖2。

根據圖2可以看出：對于常規可變作用，作用標準值的超越概率為5%時，滿足目標可靠指標要求的可變作用分項系數γQ=1.5。

圖2 作用標準值確定方法

對于具有限值特性的設計液位的儲罐儲液重量標準值，儲罐運行時大于該標準值的超越概率已趨近于0，因此可以推斷，設計液位的儲罐儲液重量作用的分項系數將小于常規可變作用的分項系數，此時儲罐基礎的結構可靠度水準將大于常規可變作用的可靠度水準。根據工程經驗，并參考GB 51006關于具有限值特性作用的分項系數的取值規定，儲罐儲液重量作用的分項系數可取γQ=1.0(最小值為1.0)。

如果設計液位的儲液重量作為永久作用進行結構分析，其分項系數也可取值1.0，其機理亦同上述分析。

2.5 基于GB50068-2018標準的儲罐操作液位重量作用分項系數取值分析

GB50068-2018的目標可靠指標與2001年版本相比，指標未作調整，但作用分項系數卻已往高處進行了調整，儲罐儲液基礎設計作用效應基本組合的作用分項系數是否予以跟隨調整呢？由于儲罐儲液操作液位的最大值的變化幅度極小，已近似固定值，其變異系數較小，因此對儲罐基礎可靠指標的影響就較低。根據本文的分析以及儲罐結構的特性，不建議跟隨調整，保持1.3即可。

3 儲罐儲液作用分項系數的不同取值對基礎設計的影響分析

3.1 承載能力極限狀態設計的影響

作用效應基本組合的作用分項系數決定了結構構件可靠度水平的高低，其取值的高低對設計結果及結構可靠度均有影響。例如，對環墻式儲罐基礎的環墻的強度設計有影響，特別是位于樓層上的儲罐，對整體結構，包括基礎構件都將產生較大的影響。分項系數的取值水平直接決定了材料用量的多少和設計作品經濟效益指標的高低。

3.2 正常使用極限狀態設計的影響

因為正常使用極限狀態的驗算不屬于概率極限狀態設計的范疇，其作用效應的組合設計值不牽扯到作用分項系數。如構件的變形驗算、混凝土構件的抗裂度或裂縫控制、地基承載力驗算(確定基礎面積)、確定樁(強樁)的數量等均與儲罐儲液重量分項系數的取值大小沒有關系。

4 儲罐基礎設計依“設計液位”進行復核驗證

當儲罐的操作液位和設計液位相差較小時，儲罐儲液重量標準值依據操作液位取值，其余設計內容執行現有儲罐基礎設計規范的相關規定；當上述兩個液位相差較大時，應再以儲罐設計液位的儲液重量作為標準值，其基本組合取其分項系數1.0進行儲罐基礎的補充復核驗算。

《結構上的作用-第4部分：筒倉和儲罐》[6]EN 1991-4:2006第3.5條“儲罐內液體設計工況”也提出了應按照操作液位、設計液位兩種不同工況液位分別進行儲罐基礎設計的要求。

5 結語

(1)在正常操作工況下進行儲罐基礎的承載能力極限狀態設計時，儲液重量標準值取最高操作液位對應的罐容重量，該標準值在作用效應基本組合中的分項系數為現行規范規定值1.3。

(2)按照設計液位的罐容進行儲罐基礎的承載能力極限狀態設計時，取該液位的罐容作為儲液重量的標準值，該重量作用屬于有界作用，其超越概率趨近于0，按照結構可靠度理論并根據具有限值特性的作用的特點，作用效應基本組合分項系數可取1.0。

(3)儲罐基礎承載能力極限狀態設計宜按操作液位進行設計，并應按設計液位進行復核。