低溫儲(chǔ)罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及探討

1、<p>　　低溫儲(chǔ)罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及探討</p><p>　　摘要：本文總結(jié)了低溫儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的幾個(gè)特點(diǎn)及其荷載分布的特點(diǎn)，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(chǔ)罐 基礎(chǔ) 荷載 </p><p>　　中圖分類號(hào)：S611文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： </p><p>　　近幾年來我們在

2、設(shè)計(jì)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(chǔ)罐設(shè)計(jì)問題，與普通立式儲(chǔ)罐最大的不同在于它的低溫并有因儲(chǔ)存液體汽化而形成的內(nèi)壓的特點(diǎn)。罐內(nèi)的溫度可達(dá)-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(jì)，本文主要探討有關(guān)單壁低溫儲(chǔ)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(chǔ)罐的相關(guān)設(shè)計(jì)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(chǔ)罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(chǔ)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(chǔ)罐的地基與基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)”，這就給我們帶來了新的問題--如何設(shè)計(jì)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(chǔ)罐基礎(chǔ)不需要設(shè)計(jì)地腳螺栓，但對于低溫儲(chǔ)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(huì)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(chǔ)罐邊緣“上舉”，所以低溫儲(chǔ)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(huì)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）?？梢娺@種低溫儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要比常規(guī)儲(chǔ)罐復(fù)雜一些。 </p><p>　　在美國石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《大型低壓焊接儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)與施工（API620）》附錄R中對這種低溫儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)給出了一些建設(shè)性意見；英國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《低溫用平底、立式、圓柱形儲(chǔ)罐.預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土罐基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和制造及罐內(nèi)襯和罐涂層的設(shè)計(jì)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(tái)基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)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(jì)要求時(shí)，則采用樁筏基礎(chǔ)及高承臺(tái)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(shí)際設(shè)計(jì)中，考慮到這種儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的

7、重要性和危險(xiǎn)性，以及采用電加熱需要日常的操作維護(hù)，工程費(fèi)用較高等原因，國內(nèi)已完成低溫儲(chǔ)罐基礎(chǔ)均采用架空基礎(chǔ)。此時(shí)地面和儲(chǔ)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(dòng)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(jì)，根據(jù)國內(nèi)已建成的低溫罐及近幾年本人設(shè)計(jì)的一些工程實(shí)例，這種架空基礎(chǔ)大致可分為三

8、類：高樁承臺(tái)；柱+無梁樓蓋；框架結(jié)構(gòu)。首先，高樁承臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)將樁頂標(biāo)高設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算，對樁身承載力進(jìn)行復(fù)核。其結(jié)果比按正常設(shè)計(jì)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(jì)。而頂板則按無梁樓蓋設(shè)計(jì)。但此種基礎(chǔ)類型也有其局限性，當(dāng)樁承載力較低時(shí)，由于布樁間距較小，就會(huì)給施工帶來困難，樁機(jī)移動(dòng)不

9、便，很容易將已完工的樁身破壞。此時(shí)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(shí)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(qiáng)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(diǎn)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(jìn)行了改進(jìn)，將其設(shè)計(jì)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(qiáng)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(shí)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(shí)（5000m3以下）柱可按環(huán)形布置，罐容積較大時(shí)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(chǔ)罐設(shè)有錨固帶，而其錨固帶形式多為錨板式。因儲(chǔ)罐荷載較大，梁配筋率較大，在梁柱節(jié)點(diǎn)處梁柱鋼筋交錯(cuò)，鋼筋較密，錨固帶很難放置，因此我們在布置外環(huán)柱子時(shí)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(jì)為柱下樁承臺(tái)+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(huì)直接受凍，因此設(shè)計(jì)時(shí)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(chǔ)罐的荷載也與一般儲(chǔ)罐有所不同，《石油化工企業(yè)鋼儲(chǔ)罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(jì)規(guī)范》SH/T 3147-2004中第6.2.1條中規(guī)定： 6度時(shí)的構(gòu)筑物；7度、8度和9度時(shí)，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(chǔ)罐）可不進(jìn)行

13、地基和基礎(chǔ)的抗震承載力驗(yàn)算。低溫儲(chǔ)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(jìn)行地震驗(yàn)算。如果采用樁基，就必須按第6.5節(jié)的要求進(jìn)行判定是否需要驗(yàn)算抗震。而對于架空基礎(chǔ)就必須要進(jìn)行地震驗(yàn)算了。 </p><p>　　儲(chǔ)罐本體的抗震驗(yàn)算是按中震進(jìn)行計(jì)算的，與結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)只驗(yàn)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(dòng)的儲(chǔ)罐可以用0.4倍的

14、滑動(dòng)摩擦系數(shù)乘以作用在儲(chǔ)罐底部的力?！边@就是說儲(chǔ)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(chǔ)罐基礎(chǔ)上進(jìn)行驗(yàn)算。由于設(shè)計(jì)條件中的地震附加力矩僅作用到罐體底部，因此設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐基礎(chǔ)時(shí)還要考慮地震時(shí)由罐內(nèi)液體橫向移動(dòng)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(yàn)罐體焊縫質(zhì)量，檢查罐體密閉性，水壓試驗(yàn)是儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)及施工中必不可少的環(huán)節(jié)，但由于試水時(shí)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(yàn)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(yàn)荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.1，小于恒載的分項(xiàng)系數(shù)1.2. </p><p>　　在確定了地震及水壓試驗(yàn)荷載后，就可按表一的荷載進(jìn)行基礎(chǔ)計(jì)算。對于這種儲(chǔ)罐，一般考慮驗(yàn)算正常工作(滿罐)、水壓試驗(yàn)(滿罐)、安裝建造(空罐)三種工況。除上述水

16、壓試驗(yàn)荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.1外，其他荷載的的分項(xiàng)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(chǔ)罐基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，控制沉降是很重要的一個(gè)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(gè)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(chǔ)罐的允許沉降限值是儲(chǔ)罐的最大變形限量，儲(chǔ)罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)者與儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)者應(yīng)就最大整體沉降和不均勻沉降的限制達(dá)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(jì)算沉降時(shí)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(chǔ)罐傾斜 1：500 </p><p>　　儲(chǔ)罐底板從儲(chǔ)罐邊緣至中心沿徑向的沉降 1：300 </p><p>　　沿儲(chǔ)罐周邊沉降 1：500，不超過儲(chǔ)罐傾斜計(jì)算出的最大 </p><p><b>　　沉降量 </b&

19、gt;</p><p>　　從國內(nèi)的儲(chǔ)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(jì)的重點(diǎn)。我們在設(shè)計(jì)中考慮到此類基礎(chǔ)重要性，均采用了樁筏基礎(chǔ)，布樁時(shí)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(shí)例

20、的設(shè)計(jì)，低溫儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(diǎn)作出合理的選擇。計(jì)算中應(yīng)注意地震力帶來的附加荷載的計(jì)算，這也是其與普通儲(chǔ)罐受力的不同點(diǎn)。可以看出，此類基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)不同于普通立式儲(chǔ)罐，有其自身的一些特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)慎重對待。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　1 美國石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《大型低壓焊接儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)與