钢制储罐基础设计探讨

龚安苏

(中国成达工程有限公司,四川成都 610041)

钢制储罐基础设计探讨

龚安苏

(中国成达工程有限公司,四川成都 610041)

钢制储罐是目前国内外石油化工企业的主要建构筑物之一。作为一种常见的石油化工设备，环墙基础设计困扰着不少年轻设计人员，特别是环墙厚度以及环向力的计算。文章通过对环墙厚度公式推导，并分析影响环墙厚度因素，给出调整环墙厚度建议。并比较不同规范计算环向力的优缺点，给出环墙环向力的计算建议方法。最后通过一个钢储罐基础的工程实例，验证了建议方法的适用性和正确性。

钢储罐； 环墙基础； 环向力； 计算方法

钢制储罐是目前国内外石油化工储运的主要构筑物之一。随着我国经济建设的发展，石油化工工业在国民经济建设中扮演着越来越重要的角色。钢制储罐是石油化工生产储运中的重要环节，钢制储罐在使用中要求基础平稳，不产生过大不均匀变形。储罐基础设计是石油化工构筑物设计中的重要内容，关乎到储罐的安全和正常使用。在工程设计中，钢制储罐基础设计根据储罐类型不同也有所区别。

本文运用现行规范GB50473-2008《钢制储罐地基基础设计规范》(国标GB50473-2008，下同)和SH/T3068-2007《石油化工钢储罐地基与基础设计规范》(行标SH/T3068-2007，下同)对一般储罐环墙基础设计进行比较研究；分析了罐壁底端传给环墙顶端的竖向线分布荷载标准值gk、储罐重量、介质高度、介质重度、环墙高度以及构造要求对环墙厚度的影响，有助于通过优化设计，降低环墙厚度。同时比较两种规范计算储罐环墙基础单位高度的环向力设计值的差异，并给出建议计算方法。通过一个钢储罐基础的工程实例，验证了建议方法的适用性和正确性。

1 环墙基础厚度确定

钢制储罐环墙式基础与一般建构筑物基础有很大的区别。一般建构筑物上部荷载都是通过基础传递和扩散到地基上的，基础是建构筑物不可缺少的一部分。然而钢储罐的荷载大部分不是通过环墙基础传递给地基，而是通过环墙基础内罐底填料垫层直接传递给地基。环墙式基础作为储罐罐壁与地基的连接体，承受着储罐罐壁、罐壁上附属构件、罐顶(不包括浮顶罐的浮顶)、罐壁外的保温材料以及环墙顶上小部分介质的荷载。钢筋混凝土环墙基础能很好的约束环墙基础内各层压密的垫层，使各层压密垫层形成的圆柱形弹性块体能与环墙共同工作，承受并传递上部罐体的全部荷载。

1.1 按国标GB 50473-2008计算环墙厚度

当储罐罐壁位于环墙顶面时，储罐环墙基础厚度计算公式是根据环墙底部压强P1和环墙内侧同一水平地基土压强P2相等标准值的条件推导得来的。储罐环墙基础剖面如图1所示。

图1 储罐环墙基础剖面

(1)

(2)

P2=γLhL+γmh

(3)

由式(1)～式(3)推导出规范环墙基础厚度b计算公式(4.1.2)如下：

(4)

式中：b为环墙厚度(m)；gk为罐壁底端传至环墙顶端的竖向线分布荷载标准值，当为浮顶罐时，仅为罐壁的重量(包括保温层)，当为固定顶罐(包括内浮顶罐)时，应为罐壁和罐顶的重量(包括保温层)(kN/m)；β为罐壁深入环墙顶面宽度系数，可取0.4～0.6，宜取0.5；γc为环墙的重度(kN/m3);γL为罐内使用阶段储存介质的重度(kN/m3);γm为环墙内各层填料的平均重度(kN/m3);hL为环墙顶面至罐内最高储液面高度(m)；h为环墙高度(m)。

1.2 按行标SH/T 3068-2007计算环墙厚度

根据行标SH/T3068-2007第6.1.1条，可知环墙基础厚度计算公式与国标GB50473-2008第4.1.2条相应计算公式一致，都只考虑正常操作阶段工况下环墙厚度。

1.3 环墙厚度影响因素

通过分析公式(4)，可知环墙厚度与gk、γL、hL、h等参数有关。当其他条件不变时，罐壁底端传至环墙顶端的竖向线分布荷载标准值gk值越小，环墙厚度b越小；储存介质的重度γL越大，环墙厚度b越小；最高储液面高度hL越大，环墙厚度b越小；环墙高度h越小，环墙厚度b越小。而不是我们常规认为储存介质的重度γL越大，最高储液面高度hL越大，储罐基础底面处的平均压应力值越大时环墙厚度越大。因为环墙基础厚度计算公式是根据环墙底部压强P1和环墙内侧同一水平地基土压强P2相等条件推得，所以当钢储罐条件一定时，γL和hL越小时，P2就越小，gk不变，要使P1=P2，必然要增大环墙厚度；当介质重度γL接近零的极端情况，计算得出环墙罐基础应为圆形大板基础。

2 环墙基础单位高度环向力设计值

2.1 按国标GB 50473-2008计算

环墙单位高度的环向力设计值可分充水试压和正常使用两种工况。

2.1.1 充水试压工况

充水试压时，可按下式计算：

(5)

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

2.1.2 正常使用工况

正常使用时，可按下式计算：

(6)

式中：Ft为环墙单位高度环向力设计值(kN/m);γQL为使用阶段储存介质分项系数，可取1.3；γL为使用阶段储存介质的重度(kN/m3)hL为环墙顶面至罐内最高储液面高度(m)；

2.2 按行标SH/T 3068-2007计算

环墙单位高度的环向力设计值，只考虑充水试压情况，可按下式计算：

Ft=(γQWγWhW+γQmγmh)KR

(7)

式中：Ft为环墙单位高度的环向力设计值(kN/m);γQW、γQm为水、环墙内各层填料自重分项系数，γQW可取1.1，γQm可取1.0；γW、γm为水的重度、环墙内各层填料的平均重度(kN/m3)，γW可取9.8，γm宜取18.0；hW为环墙顶面至罐内最高储水面高度(m)；K为侧压力系数，一般地基可取0.33，软土地基可取0.5；R为环墙中心线半径(m)。

比较国标与行标的环墙单位高度的环向力设计值计算公式，发现两本规范有几处不同：

(1)国标GB50473-2008分别按充水试压和正常使用两种工况分别考虑，取不利值；行标SH/T3068-2007只考虑充水试压一种工况，未考虑正常使用工况。

(2)充水试压工况两本规范环墙内各层填料自重分项系数γQm有不同，国标取1.2，行标取1.0。

(3)环墙基础内侧各层填料对环墙的侧向土压力，行标按矩形分布考虑；国标按梯形分布考虑，更符合实际应力分布。

3 工程实例对比计算

3.1 设计条件

某工程位于延安市富县境内，基础持力层为强夯压实回填黄土地基，承载力特征值不小于200kPa。以原料储存罐区一个容积1 040m3的钢制储罐为例，罐内直径为12.2m，罐高为10.761m，环墙顶面至罐内最高储液面高度为7.565m，罐内使用阶段储存介质的重度为6.72kN/m3，储罐净重为580kN，使用阶段操作重为6493kN，充水试压阶段总重为10 950kN，储罐底板厚11mm、直径12.324m，水重度取9.8kN/m3，环墙重度为25kN/m3，环墙顶面高出地面0.7m，环墙基础埋深1.0m, 环墙总高度1.7m，环墙内各层填料的平均重度18kN/m3, β取0.5。

3.2 环墙厚度计算

根据GB50473-2008和SH/T3068-2007进行计算。

储罐底板重 ：

环墙顶端的竖向线分布荷载标准值：

环墙基础厚度：

据储罐条件，储罐净重荷载不是很大，储存介质的重度也只有6.72kN/m3，为什么按规范公式计算环墙厚度接近1m。

通过计算环墙基础底面和环墙基础内侧同一水平处压强：

P2=6.72×7.565+18×1.7=81.44 kPa

可以看出P1=P2远小于地基土承载力200kPa，由于储罐需要预埋地脚螺栓，根据地基土地质条件，储罐条件以及过往项目经验环墙式储罐基础只要不出现不均匀变形，一般不会影响储罐的正常使用。故本储罐根据构造要求环墙厚度取0.65m时，P1=87.07kPa，P2=81.44kPa，基础底面两处压应力虽略有差别，但是仍然远小于地基承载力，能够满足钢储罐正常使用要求，故环墙厚度取0.65m是可行的。

3.3 环墙单位高度环向力计算

3.3.1 根据国标GB50473-2008计算

(1)充水试压时。

(2)正常使用时。

3.3.2 根据行标SH/T3068-2007计算

规范SH/T3068-2007只考虑充水试压工况，

Ft= (1.1×9.8×10.761+1.0×18×1.7)×0.5×6.1=447.1 kN

常压储罐的储存介质的重度都是小于10kN/m3石化产品以及类似介质，通过以上实例计算可知充水试压工况环墙基础的环向力较为不利。两本规范计算公式组合系数略有不同，填料层侧向压力计算公式不同(梯形分布和矩形分布)。环墙侧向土压力梯形分布更接近真实情况，且两种计算公式环向力计算误差只有9.1 %，都能够保证储罐使用阶段的正常安全运行。根据过往经验以及土压力分布状态，本文建议按照GB50473-2008《钢制储罐地基基础设计规范》要求计算基础环向力。

4 结语及建议

(1)通过研究两本规范储罐环墙厚度计算公式，可知环墙厚度取决于储罐重量、环墙顶面至罐内最高储液面高度、罐内使用阶段储存介质的重度、环墙高度等影响因素，分别降低储罐重量、增加介质重度、增加介质高度、减小环墙高度都有助于降低环墙厚度。介质重度越轻，介质高度越小，环墙厚度反而增大，不是我们常规认为介质的重度越大，介质高度越大，储罐基础底面处的平均压应力值越大时环墙厚度越大。因此，设计人员在进行储罐环墙设计时要对计算公式原理，基地应力分布以及地基地质条件进行深入分析，使得设计的罐基础经济合理，安全适用。

(2)当储罐储存介质重度很小，且罐基础底面平均附加应力远小于地基承载力时，可以适当减小环墙厚度。这样环墙基础更为经济合理，且不会影响储罐的正常使用。

(3)通过对规范公式理论分析和工程实例计算，GB50473-2008《钢制储罐地基基础设计规范》计算环墙基础的环向力采用的各层填料垫层侧压力分布更符合实际情况。

[1]GB50473—2008 钢制储罐地基基础设计规范 [S].

[2]SH/T3068—2007 石油化工钢储罐地基与基础设计规范 [S].

[3]HG/T20643—2012化工设备基础设计规定 [S].

TU470+.2

A

[定稿日期]2017-06-09

龚安苏(1982～)，男，硕士，工程师，一级注册结构工程师，从事建筑结构设计与研究工作。