常壓立式圓筒形儲罐抗震設(shè)計探討

張瑞松 浙江省天正設(shè)計工程有限公司 杭州 310012

在化工儲運設(shè)計中，常壓立式圓筒形儲罐是非常常見的一種儲運設(shè)備。對于結(jié)構(gòu)專業(yè)而言，儲罐的設(shè)計工作量主要體現(xiàn)在儲罐的基礎(chǔ)設(shè)計上，現(xiàn)行國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于常壓立式圓筒形儲罐抗震設(shè)計的規(guī)范主要有《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50191 -93、 《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》SH/T 3147 -2004、 《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》GB 50341 -2003。由于上述三個規(guī)范在適用范圍以及計算方法上有一定的共性，而計算的結(jié)果卻存在差異，導(dǎo)致土建投資存在差異，有時甚至差異很大。本文針對常壓立式圓筒形儲罐的抗震設(shè)計，對比分析上述三個規(guī)范存在的不同點，提出相關(guān)的建議。

1 各規(guī)范的適用范圍

1.1 《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》

適用于抗震設(shè)防烈度為6 度至9 度地區(qū)的構(gòu)筑物抗震設(shè)計。該規(guī)范為結(jié)構(gòu)專業(yè)適用的中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》

適用于抗震設(shè)防烈度6 度至9 度地區(qū)的石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計。該規(guī)范為結(jié)構(gòu)專業(yè)適用的中華人民共和國石油化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》

適用于儲存石油、化工產(chǎn)品及其他類似液體的常壓(包括微內(nèi)壓)立式圓筒形鋼制焊接油罐的設(shè)計。該規(guī)范為設(shè)備專業(yè)適用的中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)。其中該規(guī)范規(guī)定油罐抗震計算適用于罐壁高度與直徑比不大于1.6，且容積不小于100m3的常壓立式圓筒形鋼制平底油罐的抗震計算。

2 儲罐的水平地震作用計算

2.1 《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》

《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的儲罐總水平地震作用按下列公式計算:

式中，F(xiàn)Ek為儲罐的總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值;α1為相應(yīng)于儲罐與儲液耦合振動基本自振周期的水平地震影響系數(shù)值，應(yīng)按規(guī)范第5.1.5 條規(guī)定確定，對于公稱容積小于10000m3的儲罐，可采用水平地震影響系數(shù)最大值(按抗震計算水準(zhǔn)B 確定);η 為罐體影響系數(shù)，可采用1.1;mL為罐內(nèi)儲液總質(zhì)量，kg;g 為重力加速度，9.81m/s2;ψW為動液系數(shù)，可按表1 采用。

表1 動液系數(shù)

2.2 《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》

《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的儲罐總水平地震作用按下列公式計算:

式中，F(xiàn)Ek為儲罐的總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值;α1為相應(yīng)于儲罐與儲液耦合振動基本自振周期的水平地震影響系數(shù)值，應(yīng)按規(guī)范第7 章有關(guān)規(guī)定確定，對于公稱容積小于10000m3的儲罐，可采用水平地震影響系數(shù)最大值;η 為罐體影響系數(shù)，可采用1.1;m1為罐內(nèi)儲液總質(zhì)量，kg;g 為重力加速度，9.81m/s2;ψW為動液系數(shù)，可按表2 采用。

表2 動液系數(shù)

2.3 《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》

《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的罐壁底部水平地震剪力按下列公式計算:

式中，Q0為在水平地震作用下，罐壁底部的水平剪力(MN);Cz為綜合影響系數(shù)，取0.4;α 為地震影響系數(shù)，根據(jù)T 值及反應(yīng)譜特征周期Tg 及地震影響系數(shù)最大值αmax按圖D.3.1 采用，對于公稱容積小于10000m3的儲罐可取αmax;Y1為罐體影響系數(shù)，取1.1;g 為重力加速度，9.81m/s2;m1為儲罐內(nèi)儲液總量，kg;Fr為動液系數(shù)，由徑高比按表3 選取，中間值按插入法計算。

表3 動液系數(shù)

2.4 對比分析

從上述三個規(guī)范計算儲罐的總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的公式來看，各規(guī)范的罐體影響系數(shù)、儲罐內(nèi)儲液總量以及動液系數(shù)是完全一致的。僅水平地震影響系數(shù)存在比較大的差異。以7 度0.10g地區(qū)，儲罐公稱容積小于10000m3的儲罐為例，比較它們之間的差異:

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定7 度0.10g 地區(qū)在多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震下水平地震影響系數(shù)最大值分別為0.08、0.22、0.50。

《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定α1值按抗震計算水準(zhǔn)B 確定，取α1=0.25。

《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定α1值采用水平地震影響系數(shù)最大值，取α1=0.08。

《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》規(guī)定地震影響系數(shù)采用水平地震影響系數(shù)最大值，取α =0.23，乘以綜合影響系數(shù)Cz=0.4 以后，α =0.23×0.4 =0.092。

從上述分析結(jié)果來看，《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》以多遇地震作為儲罐設(shè)計的抗震設(shè)防第一水準(zhǔn); 《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》以設(shè)防地震作為儲罐設(shè)計的抗震設(shè)防第一水準(zhǔn)，乘以綜合影響系數(shù)Cz=0.4 以后相當(dāng)于還是以多遇地震作為儲罐設(shè)計的抗震設(shè)防第一水準(zhǔn)，但安全等級提高至一級;而《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》相當(dāng)于以設(shè)防地震作為儲罐設(shè)計的抗震設(shè)防第一水準(zhǔn)。這對儲罐的基礎(chǔ)設(shè)計特別是軟弱地基上的樁基設(shè)計有非常大的影響，在地震烈度為7 度及以上地區(qū)，按照《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》和《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》分別設(shè)計樁基，在樁基規(guī)格、數(shù)量相同的情況下，樁基的數(shù)量會分別因為由單樁水平承載力特征值和單樁豎向承載力特征值控制而產(chǎn)生很大的差異。

3 總水平地震作用對罐壁底部產(chǎn)生的彎矩計算

3.1 《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》

《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值對罐壁底部產(chǎn)生的彎矩，應(yīng)按下式計算:

式中，M1為總水平地震作用對罐壁底部產(chǎn)生的彎矩，N·m;ξ 為地震效應(yīng)折減系數(shù)，可采用0.40;FEk為儲罐的總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值，N;hW為儲液的高度，m。

3.2 《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》

《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的總水平地震作用對罐基礎(chǔ)頂部產(chǎn)生的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)按下式計算:

式中，M1為總水平地震作用對罐基礎(chǔ)產(chǎn)生的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值，N·m;FEk為儲罐的總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值;hW為儲液的高度，m。

3.3 《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》

《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的罐壁底部的地震彎矩應(yīng)按下式計算:

式中，M1為總水平地震作用在油罐底部所產(chǎn)生的地震彎矩，MN·m;Q0為在水平地震作用下，罐壁底部的水平剪力，MN;hW為油罐設(shè)計最高液位，m。

3.4 對比分析

從上述三個規(guī)范計算總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值對罐壁底部產(chǎn)生的彎矩的公式來看，各規(guī)范計算公式中液位的高度是完全一致的。儲罐的總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值卻存在比較大的差異，而總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的差異實際就是水平地震影響系數(shù)的差異。以7 度0.10g 地區(qū)，儲罐公稱容積小于10000m3的儲罐為例，比較它們之間的差異(以《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》計算的總水平地震作用對罐基礎(chǔ)產(chǎn)生的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為基準(zhǔn)M1石化規(guī)):

《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》計算的彎矩值為(0.25 ×0.4)/0.08 M1石化規(guī)=1.25M1石化規(guī);

《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》計算的彎矩值為M1石化規(guī);

《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》計算的彎矩值為0.092/0.08 M1石化規(guī)=1.15M1石化規(guī)。

從上述計算結(jié)果來看， 《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》、《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》、《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》關(guān)于總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值對罐壁底部產(chǎn)生的彎矩有差異，但差異不大。且彎矩值對結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計不起控制作用，對土建投資的影響不大。其中《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》和《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》之間一個比較大的區(qū)別是《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》將地震效應(yīng)折減系數(shù)(ξ =0.4)放在彎矩的計算公式內(nèi)，而《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》綜合折減系數(shù)(Cz=0.4)放在水平地震剪力計算公式內(nèi)，造成上述兩種規(guī)范水平地震剪力計算值的差異很大，而彎矩計算值的差異較小。

4 建議

(1)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》要求按技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的所有房屋建筑均應(yīng)達(dá)到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)，即三個設(shè)防水準(zhǔn)。

第一水準(zhǔn)——多遇地震，50年超越概率63%。結(jié)構(gòu)彈性變形，可正常使用;

第二水準(zhǔn)——設(shè)防地震，50年超越概率10%。結(jié)構(gòu)彈塑性小變形，可修復(fù);

第三水準(zhǔn)——罕遇地震，50年超越概率2% ～3%。結(jié)構(gòu)彈塑性大變形，不倒塌。

而《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》要求在設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)保持彈性變形，可正常使用，要求比較高。因此建議《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》以多遇地震作為儲罐設(shè)計的抗震設(shè)防第一水準(zhǔn)，這樣既可以與《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的抗震設(shè)計理念相匹配，又可以與《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》的抗震設(shè)防水準(zhǔn)相匹配?？紤]到儲罐的重要性、安全性要求較高，可以考慮通過提高儲罐的抗震設(shè)防的分類標(biāo)準(zhǔn)來達(dá)到目的。

(2)建議《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》、《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》中的地震影響系數(shù)最大值與《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中的地震影響系數(shù)最大值相統(tǒng)一。保證規(guī)范之間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

1 GB 50191 -93，構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范［S］. 北京:中國計劃出版社，1993.

2 SH/T 3147 -2004，石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國石化出版社，2005.

3 GB 50341 - 2003，立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范［S］. 北京:中國計劃出版社，2003.

4 GB 50011 -2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］. 北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.