基于ASCE 7-10的石化静设备抗震设计解析

2021-09-16许超洋

石油化工设备技术 2021年5期

许超洋

(中石化广州工程有限公司，广东广州 510000)

美国没有专门的石油化工静设备抗震设计标准。石化静设备设计标准，如压力容器设计标准ASME Ⅷ-1 UG-22【1】，明确表示压力容器需考虑地震载荷的作用，并且在UG-23中对地震载荷与其他载荷组合时许用应力的取值做出了规定。ASME Ⅷ-2【2】规范中表4.1.1指明地震载荷取值来源于美国土木工程协会设计标准《建筑与其他结构最小设计荷载》(ASCE 7-10，Minimum Design Loads for Buildings and other Structures)【3】，并在第5章中对弹性分析、极限载荷分析、弹塑性分析3种不同分析模式分别提出了地震载荷与其他载荷的载荷组合方法。美国石油协会储罐设计标准API 650【4】附录E有针对储罐的抗震设计详细方法，并注明其地震载荷的取值同样来源于ASCE 7-10。

美国也没有全国性的抗震设计规范，各州可以有自己的法令和抗震规范。2000年，统一建筑规范(Uniform Building Code，简称UBC规范)、全国建筑规范(National Building Code，简称NBC规范)和标准建筑规范(Standard Building Code, 简称SBC规范)的编制机构联合成立了国际标准协会ICC(International Code Council)以推动美国规范的统一，同年即推出了国际建筑规范(International Building Code，简称IBC规范)。在抗震设计方面，IBC规范大多引用了ASCE 7的内容，而ASCE 7相当于一个针对各种结构形式的总规范，它规定了抗震设防目标、地震反应谱、设计地震作用、地震反应计算方法、结构体系与概念设计等内容，至于具体的结构构件性能要求与详细设计的内容，应按照专门的规范进行设计。

ASCE 7-10根据使用用途和承载特点将抗震结构体系分为2大类：建筑物(Building)与构筑物(Non-Building)。其中构筑物又分2类，包括类似于建筑物的构筑物以及非类似于建筑物的构筑物。石油化工静设备大部分属于非类似于建筑物的构筑物，其特点是没有辅助的侧向或竖向的地震抗力系统。ASCE 7-10中所有结构均采用相同的抗震设防水准、抗震设计反应谱与抗震计算方法，但石化静设备因其结构特征、功能性、安全性的特点，在设防目标、地震作用相关系数、载荷组合、安全评定以及构造措施方面与其他建筑物或构筑物结构存在一定的差异。

本文从抗震设防水准与目标、风险类别与地震载荷重要性系数、抗震设计方法与验算等方面简要叙述基于ASCE 7-10进行的石油化工设备抗震设计，为执行国外工程项目以及我国石化静设备抗震设计技术的发展提供参考。国家标准《石油化工静设备抗震设计标准》(GB/T 50761【5】)编制过程中，设防目标、重要度分类、地震作用调整系数、抗震许用应力取值、载荷组合、抗震构造措施等多方面也参考了ASCE 7-10中的石化静设备抗震设计的相关规定。

1 ASCE 7-10 抗震设计基本要求

1.1 抗震设防水准与目标

长期以来，美国西部地区的UBC规范采用的是单一的抗震设防目标，即以50年超越概率10%的地震(重现期为475年)作为设计地震。由于美国各地的地质构造、震源机制等因素的差异，使不同地区的地面加速度峰值与年超越概率(或重现期)的关系存在较大差异。在美国西部地区，50年超越概率2%(重现期为2500年)的地震大致相当于50年超越概率10%的地震的1.5倍，与极限地震相当；而在美国中部和东部地区，50年超越概率2%的地震大约相当于50年超越概率10%的地震的5倍左右，远大于极限地震。故在全美范围内采用相同的概率水准(50年超越概率10%)的地震作为设计地震可能会导致在强震作用下产生不同的破坏概率水平。为解决这一矛盾，在2000年以后的IBC规范中，采用了以50年超越概率2%来定义的“最大考虑地震”(MCE, maximum considered earthquake ground motion)作为极限地震，并以最大考虑地震的2/3(即1.5的倒数)作为设计地震，使全国范围内的建筑在大震下的抗震设防水准达到统一。

美国联邦紧急事务管理署制定的FEMA450【6】明确抗震设防目标：在设防地震水准作用下允许产生可修复的破坏，对于重要结构，允许产生破坏但不影响其继续使用功能；当实际地震动超过设防水准时，将结构倒塌的可能性降到最低。抗震设防目标体现了中震可修、大震不倒的思想。

1.2 抗震设计反应谱

ASCE 7-10规定了设计基准地震加速度反应谱的曲线如图1(图1的符号解释详见本标准)所示，并具备以下特点：

图1 设计基准地震加速度反应谱的曲线

1)设计基准地震加速度反应谱为弹性谱，为最大考虑加速度反应谱(MCE)的2/3。

2)动力放大系数的最大值为2.5，阻尼比为5%。

3)最大考虑加速度反应谱(MCE)加速度值地震区划图以B类场地土地震动参数划分。

4)场地效应不仅影响反应谱的形状(即特征周期)，还影响其峰值。场地调整系数由场地类别和加速度反应谱值2个参数确定。场地类别又与短周期加速度反应谱值与风险类别分组关联。

5)加速度反应谱的下降段分为两段，其中速度控制段以(1/T)斜率下降，而长周期位移控制段以(TL/T2)斜率下降，并且不限定长周期的上限值以及对应的加速度反应谱值的下限值。此段主要用于储罐晃动部分的地震作用计算。其中TL为长周期过渡周期。

1.3 地震作用计算

ASCE 7-10规定除特殊建筑结构(如低温储罐)外，其他结构或设备一般采用单一水准的设防目标。以最大考虑地震反应谱加速度(MCE)的2/3作为设计地震反应谱加速度，考虑结构的弹塑性耗能，除以地震作用调整系数R将设计地震弹性谱折减，并乘以结构的地震重要性系数Ie后，对设备进行线弹性分析，然后对结构进行承载能力验算和变形验算。部分连接结构地震作用需乘以结构超强系数Ω0或位移放大系数Cd。水平地震作用的计算方法包含等效侧线力法(底部剪力法)、振型分解反应谱法以及时程分析法。计算方法的选取取决于结构体系的复杂性、重要性以及计算费用的经济性。对于结构相对简单、刚度沿高度分布较为均匀的结构，通常采用等效侧线力法。

2 基于ASCE 7-10的石化静设备抗震设计特点

2.1 风险类别与地震载荷重要性系数

ASCE 7-10对建筑结构进行风险类别(risk category)划分，从Ⅰ类到Ⅳ类，共4类，ASCE 7-05称为使用类别(occupancy categories)，根据建筑结构的破坏或使用功能失效对人们的生命、健康、经济造成的危害等因素划分。不同风险类别的建筑结构对于雪载荷、冰载荷、风载荷、地震载荷采用不同的重要性系数。风险类别Ⅰ类到Ⅳ类的结构对应的地震载荷重要性系数Ie分别为1.0、1.0、1.25和1.5。

对于石化设备，因其储存危险介质，故《ASCE 7石化设备抗震指导手册》【7】中说明，基于抗震设防目标的要求，从结构的整体性、盛装性、功能性对结构风险类别(使用功能)进行分组，详见表1。主体结构的整体性是指预防结构倒塌或者其他整体失效。盛装性是指确保储存毒性介质的结构在地震作用下不发生泄漏，避免其对公共安全造成威胁。功能性是指结构在地震作用时或地震后仍能保持其功能作用，例如防火设备或紧急系统。

表1 风险类别与地震载荷重要性系数

API 650对储罐的使用类别分组基本采用上述原则，但简化为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3组，重要度系数Ie分别取1.0、1.25和1.5。

2.2 地震作用计算相关系数

《ASCE 7石化设备抗震指导手册》【7】中将石油化工设备根据结构特点分为4类：

1)刚性结构。基本自振周期≤0.06 s，例如较矮刚性支座上的卧式容器或换热器。

2)地面平底储罐，需考虑液体的晃动与储罐提离作用。

3)其他非类似于建筑物的构筑物，如裙座支撑的立式容器、支柱支撑的球罐、其他较高柔性支座支撑的卧式容器。

4)组合结构，如框架支撑的的容器、储罐等。

抗震设计计算过程中，不同结构体系的抗震计算方法选择以及相关系数的取值存在一定的差异，其中石化静设备的抗震设计相关系数如表2所示。

表2 石化静设备抗震设计系数

2.2.1 地震作用调整系数R

ASCE 7-10规范仍采用国际通用的基于弹性反应谱理论和R-μ基本准则的抗震设计方法。其思想是通过地震作用调整系数R将基准设防地震作用水准降到设计采用的相对偏低的地震作用水准，并通过弹性分析保证在强震下结构的非弹性效应不超过结构的承载能力。

FEMA450中对地震作用调整系数的解释为除了考虑结构的能量耗散能力、结构的冗余度、结构自振周期和阻尼的影响外，还考虑了附属支撑结构以及结构所用的材料和体系在过去地震中的性能；且其可表示为R=RμRd(式中Rμ为延性系数，Rd为超强系数)。延性是结构在振动过程尤其是在非弹性范围的能量耗散能力，取决于结构的类型与结构的构造措施。结构进入非弹性反应状态后，其瞬时刚度变小。根据弹性反应谱理论，其地震作用也会相应降低，从而使位移反应相应减小。材料超强来源于实际的材料强度大于设计所取的材料强度。显然，不同类型结构体系的地震作用调整系数R是不同的。地震作用调整系数R已考虑各类型设备的结构阻尼的影响，故在设备抗震计算过程中不需另外考虑结构阻尼比的修正。ASCE 7-10第15.7.10.5条同时规定，如钢烟囱、料仓以及裙座支撑立式容器的支撑构件对屈曲失效极为敏感且起控制作用时，则该结构风险类别划为Ⅳ类，且Ie/R取值为1，支撑构件可认为是临界屈曲承压元件，即许用压缩应力取值时安全系数为1。

石化静设备的地震作用调整系数R值(2～3)通常小于建筑结构(3.5～8)。因为建筑结构具有多道传力途径，结构冗余度比石化静设备高。此外，在强烈地震作用下，建筑结构中的非结构化部件有效地给予了较大的阻尼。

2.2.2 结构超强系数Ω0

ASCE 7-10第15.7.3 a)条规定，地震抗力系统之间的连接件(除了嵌入到混凝土中的锚固件)，抗震设计载荷均应乘以表2中结构超强系数Ω0。如设备的螺栓座进行强度校核的计算载荷应取地脚螺栓或锚带的屈服极限强度或Ω0倍螺栓地震作用的较小值。此规定体现了抗震设计中“强节点弱构件”的思想，即节点的承载能力应高于相连的构件，因为节点的失效意味着地震抗力体系的失效。

ASCE 7-10中第15.7.5条对石化静设备的地脚螺栓抗震设计有以下规定：

1)地脚螺栓的抗震设计载荷均不应乘以结构超强系数Ω0。此条规定主要考虑地脚螺栓的延性设计需求。地脚螺栓作为结构体系的传力构件，连接两种不同的建筑材料的传力作用。设备所用钢材属于塑性材料，具有较好的延展性、破坏预兆性和塑性变形能力，而混凝土属于脆性材质，在达到最大承载能力后承载能力迅速降低，变形能力小，其瞬间破坏无法预见。因此地脚螺栓的延性设计需保证其自身钢材材料强度小于“混凝土有关强度”，从而确保在外力作用下，地脚螺栓先于混凝土破坏，并通过其良好的塑性变形能力吸收和耗散掉所有能量，避免瞬间破坏。

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2)地脚螺栓的许用拉伸强度应符合ACI 318【8】的要求。ACI 318规定地脚螺栓标准拉伸强度设计值取0.75倍的抗拉极限强度，该规定主要考虑到许多地脚螺栓所用材料没有明显的屈服强度值极限。实际设计过程中，还需考虑材料的变异性。当采用极限强度分析法进行设计时，将标准抗拉强度设计值乘以0.75作为许用强度设计值；当采用许用应力法进行设计时，则将标准抗拉强度设计值再除以2的安全系数作为许用拉伸应力值。螺栓的许用剪切强度(应力)取0.65倍许用拉伸强度(应力)。以常用地脚螺栓材料A36为例，抗拉极限强度为58 ksi(约为397 MPa)，抗震计算校核时许用拉伸强度为0.75×0.75×58 ksi=32.6 ksi(约为223 MPa)，许用拉伸应力为0.5×0.75×58 ksi=21.75 ksi(约为149 MPa)。

2.2.3 位移放大系数Cd

ASCE 7-10第15.7.4条规定，抗震设计时，设备管口与相连管道均应在连接处考虑一定的相对位移作用，其地震作用位移最小值符合ASCE 7-10表15.7-1，且规定在Cd倍最小设计位移的作用下，设备管口与相连管道不发生破裂，但允许适当的塑性变形。位移放大系数Cd相当于将弹性位移换算成弹塑性位移，用于验算结构的强度和刚度。

2.3 构架支撑设备抗震计算

当石化静设备被框架结构支撑时，抗震设计时应考虑组合结构的影响。ASCE 7-10 第15.3条规定：

1)如果设备的操作质量小于25%的构架与设备的总质量，设备的抗震计算应符合ASCE 7-10 第13章“非结构化部件”的抗震设计要求，考虑支撑构架的放大作用。

设备作为构架上部件时的地震作用放大数ap与地震作用调整系数Rp，见表3。

表3 设备作为构架上部件时的抗震计算系数

2)如果设备的操作质量>25%的构架与设备的总质量，则抗震计算时对构架与设备进行振动耦合分析。

a)当设备的自振周期≤0.06 s时，设备可视为刚性部件，可取支撑构架地震作用调整系数R作为组合结构的地震作用调整系数R，并按ASCE 7-10第13章“非结构化部件”进行抗震作用计算，但构架上设备地震作用放大系数ap=1。

b)当设备的自振周期>0.06 s时, 设备本体的质量与刚度均应参与组合结构的动力分析，组合结构的地震作用调整系数R取设备与构架的R系数较小值。

2.4 载荷组合与安全评定

ASCE 7-10第2章分别给出了基于强度设计法(国内称为极限状态法)以及许用应力法设计时地震与其他载荷的组合方式。石化静设备相关设计标准在抗震设计时【9-10】，考虑到安全裕度和设计方法的不同，在ASCE 7-10的载荷组合基础上进行了适当调整，并且考虑地震载荷仅与正常操作工况进行组合。ASME Ⅷ-1、ASME Ⅷ-2中弹性应力分析法以及储罐设计标准API 650、API 620等标准均采用许用应力分析法，而ASME Ⅷ-2 中的极限载荷法与弹塑性分析法均采用强度设计法载荷组合(详见表4，表4中的符号说明详见各标准)。

表4 石化静设备抗震设计载荷组合

1)ASME Ⅷ-1 UG-22规定当地震载荷与其他载荷共同作用时，对壳体产生的总体薄膜应力不应超过1.2倍的材料设计温度下的许用应力，包括许用拉伸应力与许用压缩应力，故其载荷组合中地震载荷不考虑折减。

2)ASME Ⅷ-2弹性应力分析法将压力载荷作为永久载荷与自重一起考虑，因为载荷组合时，地震载荷E已乘以相应的分项系数0.7，故设计许用应力不允许再乘以相应的放大系数。

3)ASME Ⅷ-2的极限载荷分析法与弹塑性分析对应ASCE 7-10的极限状态法，但分项系数基于压力容器设计安全裕度和设计方法做了适当调整。

4)API 650中因地震载荷没有相应的分项系数，故地震作用下的罐壁的许用拉伸应力允许增大33%。地震弯矩作用下罐壁的轴向许用压缩应力取值中已考虑33%的放大系数。

5)0.6D+0.7E的载荷组合主要用于设备土建基础设计时倾覆力矩的确定，当设备与基础之间采用锚固连接时，此工况不用考虑。因重力载荷对于倾覆起一定的抵消作用，故重力载荷前乘以了小于1的分项系数。

2.5 其他抗震设计要求

ASCE 7-10除了提出地震动参数的确定和地震作用计算方法外，对于石油化工设备的抗震设计构造措施也提出了相应的要求，例如对于基于ASME BPVC建造的压力容器：

1)附属构件。与压力容器承压部件相焊或相连的附属构件(如衬里、分离器、塔盘等等)，设计时也应考虑地震载荷的作用，避免其在地震作用下对压力容器承压部件造成损坏。另外，地震作用时，允许附属构件与承压部件的连接件优先失效，从而防止附属构件对承压部件的破坏。地震时，如果附属构件中的储存介质的晃动对容器承压部件产生载荷作用，设计时也应考虑。

2)介质有效质量。当容器储存介质的晃动周期Tc>3倍容器自振周期T时，抗震计算时应考虑液体的晃动作用对壳体的影响。

3)当容器的风险类别为Ⅳ级、但不需要符合ASME BPVC的建造要求时，地震载荷与其他载荷组合作用，其应力水平不应超过材料强度(见ASCE 7-10表15.7-4)的要求。

4)对于卧式容器，当长径比≥6时，可将其假定为简支梁模型进行自振周期和地震弯矩的计算；当长径比<5，应考虑梁的剪切振动。