球罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件SPCAD的開發(fā)與應(yīng)用

金微

（中石化上海工程有限公司 上海 200120）

1 概況

球罐為大容量、承壓的球形儲存容器，無論在石油石化行業(yè)還是在城市燃?xì)庑袠I(yè)，球罐均有非常廣泛的應(yīng)用，因此相關(guān)行業(yè)的專業(yè)設(shè)計(jì)院經(jīng)常需要對球罐以及球罐基礎(chǔ)開展設(shè)計(jì)工作。球罐基礎(chǔ)屬于特種構(gòu)筑物范疇，無法使用常見的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)人員通常采用手算方式，計(jì)算繁瑣工作量較大，耗費(fèi)時(shí)間較多，設(shè)計(jì)效率不高。在這種背景之下，開發(fā)一種針對球罐基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件很有必要性。

圖1 常見球罐示意圖

球罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件SPCAD（以下簡稱SPCAD軟件）是根據(jù)最新版《石油化工球罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH/T3062-2017）[1]、《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH3147-2014）[2]、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）[5]以及《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）[6]等規(guī)范編制的球罐基礎(chǔ)CAD軟件，能滿足一般工程上的球罐基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)需要，實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)輸入到施工圖的全部計(jì)算機(jī)化。

2 SPCAD軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為方便以后計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟硬件的升級，SPCAD軟件采用Microsoft Visual Studio 2010開發(fā)平臺，支持中文操作系統(tǒng)：WINDOWS XP、WINDOWS 7等各版本以及AutoCAD R14及以上for WINDOWS（32/64位）各版本的繪圖系統(tǒng)。

2.1 軟件設(shè)計(jì)流程

通常在進(jìn)行球罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，先根據(jù)設(shè)備條件輸入球罐的相關(guān)信息，包括球罐直徑、罐體中心高度、支腿截面信息、以及設(shè)備計(jì)算重量（包括設(shè)備空重、操作重量、充水重量、附加重量等），同時(shí)根據(jù)基礎(chǔ)計(jì)算的需要，確定基礎(chǔ)方案（天然地基或樁基）并輸入相對應(yīng)的地基信息、風(fēng)荷載及地震荷載信息，才可開始計(jì)算。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，SPCAD共分為六個子菜單，子菜單界面采用選項(xiàng)卡的形式，選項(xiàng)卡以及每個選項(xiàng)卡內(nèi)的具體內(nèi)容，即圖2、圖3、圖4所示。

圖2 SPCAD程序選項(xiàng)卡內(nèi)容

圖3 SPCAD程序主要內(nèi)容概要一

圖4 SPCAD程序主要內(nèi)容概要二

2.2 主要模塊說明

由上述流程圖可見，SPCAD程序?qū)⑶蚬拊O(shè)備信息以及基礎(chǔ)方案信息輸入整合后進(jìn)行基礎(chǔ)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)錄入到施工圖全過程自動化。

2.2.1 基本數(shù)據(jù)

基本數(shù)據(jù)輸入包括通用信息，風(fēng)、地震數(shù)據(jù)，材料信息?？蓪㈨?xiàng)目設(shè)計(jì)中的設(shè)備位號、所在區(qū)域風(fēng)荷載地震荷載信息以及擬采用的基礎(chǔ)形式，基礎(chǔ)混凝土等級、鋼筋牌號等內(nèi)容全部輸入在此選項(xiàng)卡內(nèi)。

2.2.2 設(shè)備信息

設(shè)備信息主要包含球罐幾何參數(shù)、設(shè)備自振周期、設(shè)備荷載。其中設(shè)備自振周期提供了兩種輸入模式，一種為根據(jù)輸入的設(shè)備鋼支腿截面尺寸以及拉桿與支柱中心線交點(diǎn)處的標(biāo)高進(jìn)行自動計(jì)算，得到球罐的自振周期；另一種即為用戶自定義周期，不再額外計(jì)算。

2.2.3 地基、基礎(chǔ)信息

地基及基礎(chǔ)信息需要輸入地坪標(biāo)高、基礎(chǔ)底標(biāo)高、基礎(chǔ)中心圓直徑等，天然地基計(jì)算時(shí)需要的地基土承載力特征值（修正前）、用于承載力修正的土層重度以及土體類別，以及用于基礎(chǔ)沉降計(jì)算的土層壓縮模量等。

此外，根據(jù)基本數(shù)據(jù)中用戶選擇的基礎(chǔ)類型，天然地基或樁基礎(chǔ)還需輸入對應(yīng)的參數(shù)（天然地基又分為獨(dú)立淺基礎(chǔ)和環(huán)形淺基礎(chǔ)兩種形式）。選擇天然地基形式時(shí)，軟件界面會提供球罐支墩的截面尺寸，獨(dú)立基礎(chǔ)的長寬比或環(huán)形基礎(chǔ)最小寬度的數(shù)據(jù)。當(dāng)樁基形式被選擇時(shí)，需要輸入的參數(shù)除了球罐支墩的截面尺寸之外，還需要單樁承載力特征值、樁直徑、樁長、樁間距和樁邊距等。考慮到實(shí)際工程中，設(shè)計(jì)人員可能會根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)先預(yù)估好天然地基的尺寸或采用多少根樁，SPCAD程序可提供自動計(jì)算基礎(chǔ)信息和已知基礎(chǔ)進(jìn)行驗(yàn)算兩種模式，供用戶選擇應(yīng)用。

2.2.4 施工圖

完成前三項(xiàng)的輸入后可調(diào)用核心計(jì)算模塊，即可輸出繪制施工圖所需要的參數(shù)，同時(shí)，施工圖選項(xiàng)卡內(nèi)還需添加地腳螺栓信息、連梁信息用于繪圖。計(jì)算輸出的基礎(chǔ)（承臺）配筋結(jié)果、短柱墩配筋結(jié)果均可顯示在界面上，供用戶根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及項(xiàng)目實(shí)際情況進(jìn)行修改。修改完畢后重新生成繪圖數(shù)據(jù)，用于AutoCAD自動繪圖。

2.2.5 計(jì)算書

SPCAD可提供TXT和Word兩種版本的計(jì)算書，供用戶按需選擇。

2.2.6 幫助菜單

程序開發(fā)依據(jù)、基本原理、軟件操作等內(nèi)容的詳細(xì)說明，可供用戶查閱。

3 SPCAD主要算法及功能

球罐計(jì)算流程中主要分為上部計(jì)算和基礎(chǔ)計(jì)算兩部分。

上部計(jì)算中風(fēng)荷載計(jì)算參考球罐規(guī)范[1]和荷載規(guī)范[3]，地震荷載計(jì)算參考構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[2]，這兩種計(jì)算較普通建筑物并無太大區(qū)別，球罐計(jì)算獨(dú)特之處主要有以下兩點(diǎn)：

3.1 球罐自振周期計(jì)算

球罐自振周期主要用于球罐所受風(fēng)荷載以及地震荷載的導(dǎo)算。一般由設(shè)備專業(yè)提供，當(dāng)缺少相關(guān)條件的時(shí)候，SPCAD可根據(jù)球罐規(guī)范[1]自動計(jì)算周期。見圖5和下列公式計(jì)算：

圖5 球罐立面計(jì)算簡圖

式中：T——球罐結(jié)構(gòu)的基本自振周期，s；

K——球罐構(gòu)架的側(cè)移剛度，N/mm；

K1——球罐構(gòu)架的彎曲剛度，N/mm；

K2——球罐構(gòu)架的剪變剛度，N/mm；

KC、A、C1、C2、λC——計(jì)算參數(shù)或系數(shù)；

n——支柱根數(shù)；

Es——支柱的常溫彈性模量，N/mm2；

Ac——支柱的截面面積，mm2；

DB——支柱中心圓直徑，mm；

Ds——球罐的內(nèi)直徑，mm；

Hc——支柱底板底面至球罐中心的高度，mm；

H1——支柱的有效高度，mm；

H2——支柱底板底面至拉桿與支柱中心線交點(diǎn)處的距離，mm；

L——相鄰兩支柱間的距離，mm；

Ic——單根支柱截面的慣性矩，mm4；

LW——支柱與球殼之間（一側(cè)）焊縫垂直投影長度的一半，mm；

dc——支柱外徑，mm；

θ——拉桿的仰角，℃；

AB——拉桿的截面面積，mm2；

meq——球罐在操作狀態(tài)下的等效質(zhì)量，kg。

3.2 球罐單個支墩頂面荷載效應(yīng)計(jì)算

球罐一般為偶數(shù)個支腿，球罐的總重量以及作用于罐體中心點(diǎn)的總水平力和總地震力需要分?jǐn)偟矫恳粋€支墩頂面，才能進(jìn)行下一步的基礎(chǔ)計(jì)算，這也是一般設(shè)計(jì)人員感到麻煩的地方。根據(jù)球罐規(guī)范[1]SPCAD程序可自動計(jì)算傳至單個支墩頂面的豎向力和水平力，并根據(jù)球罐規(guī)范[1]和荷載規(guī)范[2]進(jìn)行荷載組合，選出最不利工況。

3.2.1 豎向力計(jì)算

單個支墩頂面的豎向力由重力荷載產(chǎn)生的豎向力和作用于球罐中心的水平荷載在單個支墩頂面產(chǎn)生的豎向力兩部分組成。下列公式中的荷載，用于正常使用極限狀態(tài)計(jì)算時(shí)，應(yīng)采用荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合、準(zhǔn)永久組合；用于承載能力極限狀態(tài)計(jì)算時(shí)，應(yīng)采用荷載效應(yīng)的基本組合。

不同狀態(tài)下重力荷載產(chǎn)生的豎向力按下式計(jì)算：

式中：F′——重力荷載在基礎(chǔ)單個支墩頂面產(chǎn)生的豎向力值，kN；

作用于球罐中心的風(fēng)荷載或地震作用，在單個支墩頂面產(chǎn)生的豎向力按下列各式計(jì)算：

式中：Fi——作用于球罐中心的風(fēng)荷載或地震作用，在基礎(chǔ)單個支墩頂面產(chǎn)生的豎向力，kN；

FEW——作用于球殼中心的風(fēng)荷載或地震作用，kN，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按FWK取用，地震作用標(biāo)準(zhǔn)值按FEK取用；

HC——支柱底板底面至球罐中心的高度，m；

R——支柱中心圓半徑，m；

θi——支柱方位角，按式（15）、（16）計(jì)算。

圖6 球罐平面計(jì)算簡圖（A向）

圖7 球罐平面計(jì)算簡圖（B向）

圖8 球罐平面計(jì)算簡圖（B向）

（1）當(dāng)A方向受力時(shí)支柱的方位角：

（2）當(dāng)B方向受力時(shí)支柱的方位角：

注：i表示支柱在0～360°范圍的順序號。

3.2.2 水平力計(jì)算

傳至基礎(chǔ)單個支墩頂面的水平剪力，其值等于支柱底端拉桿的軸力在拉桿平面內(nèi)產(chǎn)生的水平分力值（見圖8所示），可利用幾何關(guān)系，間接由拉桿作用在相鄰支柱上產(chǎn)生的豎向力求出。

單個支墩頂面的水平剪力，按下列各式計(jì)算。i-1支柱所在的支墩頂面剪力Qi-1的方向，作用在拉桿所在的平面內(nèi)，當(dāng)Fi-j為壓力時(shí)，Qi-1指向i支柱，反之相反。

式中：

Qi-1——單個支墩頂面的水平剪力，kN；

Fi-j——j拉桿作用在i支柱上產(chǎn)生的豎向力值，kN；

H2——支柱底板底面至拉桿與支柱中心線交點(diǎn)處的距離，m；

θj——拉桿j的方位角，按式（19）、（20）計(jì)算。

（1）當(dāng)A方向受力時(shí)拉桿j的方位角：

（2）當(dāng)B方向受力時(shí)拉桿j的方位角：

注：i=j+1，j=0，1，2，3……。

在已求得球罐基礎(chǔ)頂面受力情況下，混凝土基礎(chǔ)的計(jì)算過程較為常規(guī)，即在計(jì)算地基承載力或樁基承載力時(shí)采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合；在進(jìn)行基礎(chǔ)抗沖切、抗剪、抗彎等計(jì)算時(shí)采用荷載的基本組合；在進(jìn)行沉降計(jì)算時(shí)采用準(zhǔn)永久組合。SPCAD程序在計(jì)算過程中會識別各組合的類型，自動判斷是否適合當(dāng)前的計(jì)算內(nèi)容，并依據(jù)混凝土規(guī)范[4]、建筑地基規(guī)范[5]、樁基規(guī)范[6]中的對應(yīng)條文完成基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工作。

4 小結(jié)

球罐基礎(chǔ)的開發(fā)工作已經(jīng)基本完成，目前正在測試過程中，預(yù)計(jì)今年即可用于實(shí)際設(shè)計(jì)工程中。SPCAD程序的應(yīng)用可自動計(jì)算或驗(yàn)算球罐基礎(chǔ)是否滿足規(guī)范要求，可提供word或txt版本的計(jì)算書并自動繪制基礎(chǔ)施工圖，大大地縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)效率。我們也希望隨著軟件越來越多地應(yīng)用于實(shí)際工程，SPCAD程序也將更加完善，更好的服務(wù)于球罐工程設(shè)計(jì)。