低溫儲罐基礎設計及探討

1、<p>　　低溫儲罐基礎設計及探討</p><p>　　摘要：本文總結了低溫儲罐基礎的幾個特點及其荷載分布的特點，列舉了基礎的荷載情況，摘錄了國內外標準的有關條款和規(guī)定。 </p><p>　　關鍵詞：低溫 儲罐 基礎 荷載 </p><p>　　中圖分類號：S611文獻標識碼： A 文章編號： </p><p>　　近幾年來我們在

2、設計中經常遇到低溫介質（主要有液態(tài)乙烯、丙烯、液氧、液氮、液氬等）的儲罐設計問題，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壓的特點。罐內的溫度可達-165℃，罐體可分為單壁和雙壁兩種形式。由于雙壁全包容罐（外壁為預應力混凝土）基礎大多為國外工程公司和罐體、罐壁一起設計，本文主要探討有關單壁低溫儲罐基礎的有關問題。 </p><p><b>　　基礎選型 </b><

3、;/p><p>　　目前我們石化行業(yè)的相關規(guī)范中還沒有針對此類儲罐的相關設計規(guī)范，就我們結構專業(yè)而言，現行的《石油化工企業(yè)鋼儲罐地基與基礎設計規(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、堿腐蝕介質和介質自重大于10kN/m3及架高儲罐的地基與基礎的設計”，這就給我們帶來了新的問題--如何設計這類基礎！ </p><p>　　盡管此類基礎上一般設

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，普通的儲罐基礎不需要設計地腳螺栓，但對于低溫儲罐，由于其內部介質均為低溫介質，無論采取何種保冷措施，都會有冷量損失，介質溫度升高，其內部壓力必然增大。為了避免罐內壓造成的儲罐邊緣“上舉”，所以低溫儲罐基礎邊緣都設置錨栓?？紤]到罐壁和罐底由于溫度變化而會產生位移，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、能適應罐體變形要求（a值為預留罐壁位移量）。可見這種低溫儲罐基礎的設計要比常規(guī)儲罐復雜一些。 </p><p>　　在美國石油協會標準《大型低壓焊接儲罐設計與施工（API620）》附錄R中對這種低溫儲罐的基礎設計給出了一些建設性意見；英國標準化協會標準《低溫用平底、立式、圓柱形儲罐.預應力鋼筋混凝土罐基礎的設計和制造及罐內襯和罐涂層的設計和安裝推薦方法》（BS7777-3：1993）中也給出了低溫罐基礎的類型：環(huán)

6、梁基礎、筏板基礎、樁筏基礎、高承臺基礎。設計人員可根據地質狀況、承載力、沉降等方面來選擇基礎形式。當天然地基承載力及沉降均滿足要求，可采用環(huán)墻基礎或筏板基礎；淺層無較好的持力層，不能滿足設計要求時，則采用樁筏基礎及高承臺基礎，如采用環(huán)梁及筏板基礎，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。但在實際設計中，考慮到這種儲罐基礎的

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，國內已完成低溫儲罐基礎均采用架空基礎。此時地面和儲罐基礎底板之間形成空氣隔層，維持基礎底面與外界溫度一致，保持良好通風，利用空氣流動使基礎底面與頂面溫度梯度盡量大，從而保證基礎內部的溫度與常</p><p>　　采用架空基礎后，隨之而來的就是支撐柱（樁）及頂板的設計，根據國內已建成的低溫罐及近幾年本人設計的一些工程實例，這種架空基礎大致可分為三

8、類：高樁承臺；柱+無梁樓蓋；框架結構。首先，高樁承臺設計時將樁頂標高設計為錨入頂板的高度，樁身露出地面較長，應按《建筑樁基設計規(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核。其結果比按正常設計的樁配筋大許多，因此此部分樁身應與普通樁區(qū)別設計。而頂板則按無梁樓蓋設計。但此種基礎類型也有其局限性，當樁承載力較低時，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+無梁樓蓋結構可解決此問題，但這前兩種基礎形式其實都是板柱結構，由于上部荷載較大，基礎可能受到較大側向外力（水平地震力）一般情況需要增設剪力墻或其他抗側向力構件,以限制結構的水平位移，增強抗地震、抗風的能力，在柱頂或樁頂設置柱帽或樁帽以提高節(jié)點剛度。但對于此類低溫罐基礎，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、以上兩種基礎類型進行了改進，將其設計為框架結構（如上圖所示），在柱之間設框架梁，這樣主要頂板的受力構件就變成了梁，頂板厚也可以相應變薄，板變薄后也更有利于冷量的迅速傳遞，也增強了結構的抗震性能。由于罐主要荷載都集中在內罐，我們布置梁柱時均將外圈柱布置在內罐壁下方，外側采用懸臂梁板支撐外罐壁及內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狀布置（如下圖所示）。但需注意的

11、的是，由于低溫儲罐設有錨固帶，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。地下部分則可根據地質情況設計為柱下樁承臺+基礎拉梁或樁筏基礎。由于低溫介質位于內罐中，而內罐底部砌筑有泡沫玻璃磚隔冷，罐基礎不會直接受凍，因此設計時不再要求基礎混凝土的抗凍等級。 </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)鋼儲罐地基與基礎設計規(guī)范》(SH3068-95)中對地震作用無明確規(guī)定，而在《石油化工構筑物抗震設計規(guī)范》SH/T 3147-2004中第6.2.1條中規(guī)定： 6度時的構筑物；7度、8度和9度時，地基靜承載力標準值分別大于80、100、120kPa且高度不超過25m(含支撐設備的高度)的構筑物（包括儲罐）可不進行

13、地基和基礎的抗震承載力驗算。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，與結構專業(yè)設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，由于地震可能產生滑動的儲罐可以用0.4倍的

14、滑動摩擦系數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的折減系數后，再作用到儲罐基礎上進行驗算。由于設計條件中的地震附加力矩僅作用到罐體底部，因此設計儲罐基礎時還要考慮地震時由罐內液體橫向移動而產生的附加彎矩及由此產生對柱或樁的附加豎向力。 </p><p>　　為了檢驗罐體焊縫質量，檢查罐體密閉性，水壓試驗是儲罐設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，考慮到這種罐的重要性，建議水壓試驗荷載分項系數取1.1，小于恒載的分項系數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取1.1外，其他荷載的的分項系數可按國內相關規(guī)范標準取值。 </p><p><b>　　沉降要求 </b></p><p>　　對于大型儲罐基礎的設計，控制沉降是很重要的一個問題，也是確定基礎形式、選擇樁端持力層即樁長的重要因素。從工藝配管角度來看，基礎沉降越小越好，但從結構專業(yè)而言，基礎的沉降是很難避免的，所以確定一個合理的基礎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，儲罐基礎設計者與儲罐設計者應就最大整體沉降和不均勻沉降的限制達成一致”，由此可見不僅結構專業(yè)控制地基變形，工藝配管、設備等專業(yè)也要采取必要措施來適應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準值，不考慮風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計的重點。我們在設計中考慮到此類基礎重要性，均采用了樁筏基礎，布樁時內密外松，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結語 </b></p><p>　　通過工程實例

20、的設計，低溫儲罐的基礎設計在基礎選型及布置上應結合地質條件及工藝條件，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?，此類基礎的設計不同于普通立式儲罐，有其自身的一些特點，設計時應慎重對待。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　1 美國石油協會標準《大型低壓焊接儲罐設計與