南方某碱厂中型储罐设备基础设计探讨

2017-10-17

纯碱工业 2017年5期

关键词：设计规范储罐荷载

(中昊(大连)化工研究设计院有限公司，辽宁大连 116023)

南方某碱厂中型储罐设备基础设计探讨

曹杨

(中昊(大连)化工研究设计院有限公司，辽宁大连 116023)

针对工程中遇到的中型储罐，探讨了在软土地基上进行储罐基础设计的步骤。并对施工中遇到的问题做了几点分析。

化工储罐；软土地基；环墙；桩筏基础；设计

前期我院完成了南方某碱厂扩建项目，该项目主要建、构筑物包括中型储罐、公用工程装置及管道支架。本人负责了其中的罐区设计，现就在设计中遇到的问题具体分析。

1 工程建设背景及地质概况

该企业是传统碱厂，为适应市场变化，增强发展后劲，提高抗风险能力，主动调整内部产业结构，将业务范围扩展到石化领域。装置建成后可为国家节约大量外汇，是国家重点鼓励发展的有市场前景的，有较高科技含量的，可持续发展的项目。本装置建于冲积平原软土地基，重要性等级为二级，场地复杂程度等级为二级，岩土工程勘察等级为乙级。拟建场地原为农田，零星分布有水塘、荒地，属于冲积平原地貌单元。从上到下分为以下几个工程地质层：素填土、粉质粘土夹粉土、粉砂夹粉土、粉细沙夹粉土、粉细沙层。本地区地下水位较高，自最上层素填土层即可见，主要由自然降水补给。此外，厂区离长江较近，地下水位还受长江水影响。

2 基础选型

本装置所采用的中型储罐是一种钢制圆柱型容器，顶部随罐内液位标高可浮动，其特点是自重远比被储存介质小，刚性小对不均匀沉降较敏感。罐体一般是由圆形底板和周边具有承载不同高度液压力的壁板组成，按顶盖形式上可分为拱顶罐、浮顶罐、内浮顶罐。从总图布置的角度，单个储罐越大，罐组的占地面积越小，本装置储罐容积为11 000 m3，比碱行业常用母液罐大很多。原来我们常用大块式混凝土基础，但面对如此体量的装置，采用这种基础形式在经济上是很不合算的。通过查找资料，我们发现可参考石油化工行业的一些做法。

储罐的底板是用很薄的钢板焊接成的，因其柔性大，刚性小的特点，能承受起一般建、构筑物所不能适应的地基沉降变形。有些储罐基础即使发生了肉眼可见的沉降，但只要是均匀沉降，仍然不影响储罐的使用。因为钢板很薄，当沉降发生时，仍然能和下部的基础保持紧密接触，能够使荷载均匀的分布在基础上，所以对基础和地基的受力状况比较明确。考虑到以上特性，我们以前常用的大块式基础显得也过于保守，用于中型储罐存在浪费。相应的石油化工行业储罐通常做成护坡式、环墙式、外环墙式和桩基础，他们都显著减少了钢筋混凝土用量，充分应用低成本的砂石材料，经济效益显著。下面介绍一下基础选型过程。

按照一个通俗的分类，我们的储罐公称容积介于1 000～20 000 m3之间，属于中型罐。如地基承载力征值fak≥200 kPa可以较充分的利用自然土层，采用护坡式基础，直接在罐体周圈做出碎石护坡，经济性好且施工快速方便，不过这种做法护坡的宽度几乎要到3 m，在布置紧凑的厂区里难以实现。这里就体现出环墙式基础的优势了，其特点是将储罐侧壁直接搁置在环墙上，环墙采用钢筋混凝土结构。环墙内铺设砂垫层和沥青砂等替代混凝土用量。这种特殊的构造也形成了它不同于一般基础的受力特性。通常来说，建、构筑物基础都应承担整个上部结构的荷载，但环墙基础并不承担储罐上的大部分荷载, 环墙基础是环墙内各垫层构成的柔性基础与刚性环墙共同工作。环墙只承受储罐壁的荷载(对于固定顶罐还应加上顶盖自重) , 占主要部分的液体荷载和浮顶荷载是由环墙内砂垫层直接承受传到地基，从而降低工程造价。因设计环墙时通常取罐侧壁的中心线和环墙的中心线重合，这种基础的占地很小，适合我们的布置。同时环墙基础的刚度相对护坡式基础大，其调整不均匀沉降的能力更强，是理想的基础形式。图1为环墙式基础的简图。

图1 环墙式基础

但本场地特殊之处在于其地基承载力不足，根据地勘报告，浅层地基的承载力特征值fak只有90 kPa，而罐体及附加荷载所产生的基底应力已达到182 kPa，这种情况下地基土将发生剪切破坏。我们通过对环墙基础受力特性的研究及以前做大块式基础的经验，提出了一种综合了两种做法的方案——桩基式环墙基础。

3 设计过程

以往做大块式基础经济性不好的主要原因在于不利用砂垫层等材料，现在这个方案主要考虑把大块式整体基础中间挖空，以砂垫层等填料填实。保留一个合适厚度的底板，将荷载通过PHC管桩传递到深层地基。此方法能保留大块式基础受力可靠的优点，又能避免其成本高的缺点。底板厚度的确定及内力计算按桩阀模型考虑，主要控制其抗冲切及抗弯能力，软件用建筑科学研究院的jccad模块完成内力分析及计算，此过程略过。下面主要谈谈环墙基础的设计过程。

前面分析过，环墙上的荷载, 主要包括竖向荷载、水平荷载、大体积混凝土的温度应力以及材料的收缩和徐变等,在地震设防区域,还需要虑地震作用对环墙的影响。图2为环墙受力简图。

图2 环墙受力简图

3.1 竖向荷载

竖向荷载主要指罐体自重及保温。在实际工作中，垂直荷载通常不需要特别考虑，首先其薄壁结构自重就不大，且环墙的径向位移沿竖向趋近于不变，所以环墙的竖向弯矩很小，在构造上通常配置构造配筋率的竖向钢筋即可满足。根据工艺专业提出的设备条件，本产品罐自重加保温共327 t。

3.2 水平荷载

水平荷载是环墙基础承受的主要荷载，说成环向荷载更通俗易懂，因为环墙基础构造的特殊性，它与生活中的“桶箍”受力形态很像。环墙的作用主要是约束其中填料的砂石等材料的变形(可想象木桶“套箍”的作用)，以防罐体底部垫层和中间的复合地基材料(粗砂层、沥青砂层和其他材料层)滑动流失，在约束的过程中，产生了沿环向的水平拉力。

理论上环墙外侧还应考虑被动土压力，但是它假定在土体产生比较大变形时计算才准确，而通常这种情况不发生，故一般不考虑其影响。

目前在设计环墙时，一般采用朗肯主动土压力公式或《GB50473-2008钢制储罐地基基础设计规范》的计算公式来计算环向力。

朗肯主动土压力公式:

式中:φ——环墙内填料的平均内摩擦角；α——环向力调整系数，一般土取1.0，软弱地基取1.5；γQW、γQm——水、填料的分项系数,γQW取 1.1，γQm取1.0；γW、γm——水的重度，环墙内填料的平均重度；hW——环墙顶面至罐内最高贮水面高度(m)；HX——环墙顶端至计算截面的高度(m)；F——环墙的环向力(kN/m)。

《GB50473-2008钢制储罐地基基础设计规范》方法：

式中:F1——环墙单位高度环向力设计值(kN/m);γQW、γQm——水、环墙内各层材料自重分项系数，γQW可取1.1，γQm可取1.2;γW、γm——水的重度、环墙内各层材料的平均重度(kN/m3),γW可取9.8，γm宜取18.0;hW——环墙顶面至罐内最高储水面高度(m);K——侧压力系数，一般地基可取0.33，软土地基可取0.5;R——环墙中心线半径(m)。

规范中环墙环向力的计算式,是按国标《GB50068-2001建筑结构可靠度设计统一标准》及《GB50010—2001混凝土结构设计规范》以概率理论为基础的结构极限状态设计的,是计入了分项系数后的环向力设计值。环向力按静定环公式作近似计算。由于环墙边界约束条件的假设 ,因地基条件很复杂 ,很难与实际情况相符。根据国内几十年来建罐的经验 ,故提出了侧压力系数按一般地基和软土地基的取值。该公式参数明确，方便工程使用，故本设计以此公式计算环墙的环向力。本例中Ft=1 391.2 kN/m。

3.3 收缩和徐变

本储罐采用的钢筋混凝土环墙属于超长混凝土结构,截面较薄而长度很大，混凝土一次浇筑量较大，浇筑时间短，混凝土浇筑后，水化热产生的升温显著，由于混凝土是热的不良导体,从而形成较大的内外温差。因此现浇钢筋混凝土环墙大多在早期出现裂缝,特别是在施工条件多变,环墙内外侧回填料不及时,养护较差等产生温差和混凝土的收缩情况下,更容易在储罐未投入使用或刚投入使用初期,环墙就出现裂缝的现象。由温度和收缩变形引起的应力比较复杂,在本设计中，按圆周(中心圆)长度超过40 m时留后浇缝，分段浇筑的方式尽量降低这种影响。此外，在施工中，对应工地的实际情况，我们要求施工方注意如下方面：

1)降低水泥水化热温度，选择中低热水泥(如矿渣水泥、火山灰质水泥、粉煤灰水泥或硫酸盐水泥)。

2)掺入1%的UEA混凝土微膨胀剂替代水泥用量，配置微膨胀混凝土。

3)降低混凝土浇灌入模速度，避免炎热天气浇筑，施工安排在下午三点至夜间进行施工。

4)做好合理的养护及监控。

3.4 地震作用

按地勘部门提供的地质勘查报告，南方张家港地区的抗震设防烈度为6度，地震加速度0.05 g，属于地震作用较小的地区。在桩基计算的荷载组合中加入了地震组合，这样在设计环墙时，仅作构造处理即可。规范要求，在抗震设防烈度8度区,容积较大储罐(≥5 000 m3)及抗震设防烈度9度区的环墙,仍需进行抗震验算。

3.5 配筋

根据《GB50473-2008钢制储罐地基基础设计规范》，环墙基础抗拉钢筋的计算如下：

式中：As——环墙单位高度环向钢筋的截面面积(mm2)；γ0——重要性系数，取1.0;fy——钢筋的抗拉强度设计值(kN/mm2);Ft——环墙单位高度环向力设计值(kN/m),取上式的较大值。

另外，经该公式计算的钢筋面积还需满足《混凝土设计规范》规定的最小配筋率的要求。最终，本环墙的配筋图如图3。

图3 环墙配筋图

应该注意到，在本设计中，环墙顶端和底端各增加两圈附加环向钢筋,其直径与环墙环筋相同，主要是考虑在软土地基上提高环墙基础整体性。

4 总结

本装置运营投产后，根据业主回馈给我们的沉降观测数据，24个观察点平均沉降值只有15.9 mm。根据采用天然地基方案(试算时假定持力层的承载力大于200 kPa)的估算，平均沉降应当超过500 mm。可见桩基的作用还是很明显的，但这并非说我们一定要采用桩基，因为储罐的柔性特点决定了它能承担一定的基础变形，只要变形是均匀的。同时，这次设计过程也让我们开阔了视野，不再局限于本行业常用的基础形式。图4为带桩基的环墙基础。