儲罐儲液作用標準值及其分項系數(shù)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(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)設計，在其它基本變量恒定的情況下，作用分項系數(shù)的不同取值直接決定了結(jié)構(gòu)可靠度水平的高低。在化工裝置建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件目標可靠指標β值，合理取用適度的作用分項系數(shù)值，結(jié)構(gòu)設計將獲得較好的經(jīng)濟指標。《鋼制儲罐地基基礎(chǔ)設計規(guī)范》[1]GB 50473-2008第3.3.4條、《石油化工球罐基礎(chǔ)設計規(guī)范》[2]SH/T 3062-2017第5.4.2條均規(guī)定：在正常操作時，罐內(nèi)儲液作用效應分項系數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)仍然取1.3的工程案例。如此的設計方法，理論上是不嚴謹?shù)模?jīng)濟上也是不合理的。

1 儲罐儲液重量標準值的取值依據(jù)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(jié)構(gòu)上的作用隨時間變化的規(guī)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(shù)據(jù)時，作用的標準值應按在設計基準期內(nèi)最不利作用概率分布的某個統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(nèi)滿水重、安裝檢修工況的額定起吊重量等。根據(jù)有界作用的特點，有界作用的概率統(tǒng)計不能選用經(jīng)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(guī)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(jù)圖1儲罐容量與液位關(guān)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(tǒng)作出報警和聯(lián)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(zhì)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(chǔ)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(chǔ)的設計執(zhí)行現(xiàn)行儲罐基礎(chǔ)設計規(guī)范的規(guī)定。

當儲罐儲液重量作用標準值根據(jù)設計液位(圖1中h3)取值時，符合《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設計統(tǒng)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(guī)定。

1.3 儲罐基礎(chǔ)設計的荷載條件

當前行業(yè)的儲罐基礎(chǔ)設計中，工藝或管道專業(yè)向結(jié)構(gòu)專業(yè)提出的荷載條件，一般沒有區(qū)分操作液位和設計液位對應的儲液重量，結(jié)構(gòu)專業(yè)對此也是模糊的，僅僅將儲液重量作為可變作用，按照現(xiàn)行儲罐基礎(chǔ)設計規(guī)范的要求進行設計。因此，主導專業(yè)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(shù)

2.1 作用分項系數(shù)與結(jié)構(gòu)可靠度的關(guān)系

作用分項系數(shù)是概率極限狀態(tài)設計的最基本特征，在以概率理論為基礎(chǔ)、以分項系數(shù)表達的極限狀態(tài)設計方法中，將結(jié)構(gòu)可靠度的目標要求分解到各分項系數(shù)的設計取值中，作用的標準值通過分項系數(shù)與結(jié)構(gòu)可靠指標β建立了對應關(guān)系，這些分項系數(shù)代替了可靠指標β，反映了隨機性作用與結(jié)構(gòu)可靠度的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

作用分項系數(shù)應根據(jù)作用的概率分布和統(tǒng)計參數(shù)及規(guī)定的可靠指標通過計算分析確定，在化工工程結(jié)構(gòu)中可根據(jù)裝置實際的工藝操作狀況并結(jié)合工程經(jīng)驗采用不同的值。作用(包括永久作用、可變作用等)分項系數(shù)取值越高，相應的結(jié)構(gòu)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(xiàn)行儲罐基礎(chǔ)設計規(guī)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(qū)別是儲罐儲液重量的標準值并非基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)的樣本函數(shù)按照設計基準期50年內(nèi)最大荷載概率分布的某個分位值確定的，而是根據(jù)儲罐結(jié)構(gòu)、工藝生產(chǎn)及控制聯(lián)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(xiàn)有標準對于有界可變作用分項系數(shù)的取值規(guī)定

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

2.4 儲罐設計液位標準值與分項系數(shù)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(shù)。

儲罐儲液重量的分項系數(shù)的取值是否滿足既定的可靠指標，關(guān)鍵是看儲罐儲液重量的標準值的超越概率，即經(jīng)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(guī)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(guī)定要求，但根據(jù)ISO2394的核心思想，儲罐儲液標準值產(chǎn)生的作用效應的超越概率不大于5%時，儲罐基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)則可以達到現(xiàn)行國家標準規(guī)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(shù)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(jù)圖2可以看出：對于常規(guī)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(shù)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(shù)將小于常規(guī)可變作用的分項系數(shù)，此時儲罐基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)可靠度水準將大于常規(guī)可變作用的可靠度水準。根據(jù)工程經(jīng)驗，并參考GB 51006關(guān)于具有限值特性作用的分項系數(shù)的取值規(guī)定，儲罐儲液重量作用的分項系數(shù)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(jié)構(gòu)分析，其分項系數(shù)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(shù)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(diào)整，但作用分項系數(shù)卻已往高處進行了調(diào)整，儲罐儲液基礎(chǔ)設計作用效應基本組合的作用分項系數(shù)是否予以跟隨調(diào)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(shù)較小，因此對儲罐基礎(chǔ)可靠指標的影響就較低。根據(jù)本文的分析以及儲罐結(jié)構(gòu)的特性，不建議跟隨調(diào)整，保持1.3即可。

3 儲罐儲液作用分項系數(shù)的不同取值對基礎(chǔ)設計的影響分析

3.1 承載能力極限狀態(tài)設計的影響

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

3.2 正常使用極限狀態(tài)設計的影響

因為正常使用極限狀態(tài)的驗算不屬于概率極限狀態(tài)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(shù)。如構(gòu)件的變形驗算、混凝土構(gòu)件的抗裂度或裂縫控制、地基承載力驗算(確定基礎(chǔ)面積)、確定樁(強樁)的數(shù)量等均與儲罐儲液重量分項系數(shù)的取值大小沒有關(guān)系。

4 儲罐基礎(chǔ)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(jù)操作液位取值，其余設計內(nèi)容執(zhí)行現(xiàn)有儲罐基礎(chǔ)設計規(guī)范的相關(guān)規(guī)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(shù)1.0進行儲罐基礎(chǔ)的補充復核驗算。

《結(jié)構(gòu)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(nèi)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(chǔ)設計的要求。

5 結(jié)語

(1)在正常操作工況下進行儲罐基礎(chǔ)的承載能力極限狀態(tài)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(shù)為現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定值1.3。

(2)按照設計液位的罐容進行儲罐基礎(chǔ)的承載能力極限狀態(tài)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(jié)構(gòu)可靠度理論并根據(jù)具有限值特性的作用的特點，作用效應基本組合分項系數(shù)可取1.0。

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