大型儲油罐基礎(chǔ)環(huán)梁設(shè)計與討論

秦 凱 王成玉

(日照港集團有限公司，山東日照 276826)

0 引言

大型儲油罐是一種特殊的工業(yè)結(jié)構(gòu)，由鋼板焊接而成，具有整體剛度較小的特點。出于經(jīng)濟方面的考慮，儲備庫油罐的容積越來越大，向大型化、特大型化的發(fā)展趨勢明顯[1]。與其他構(gòu)筑物相比，大型儲油罐能經(jīng)受住較大的整體沉降變形，因此它對地基承載力要求較低，但它抵御地基不均勻沉降的能力有限，這就對儲油罐基礎(chǔ)的選型和設(shè)計有了很高的要求[2]。

多年實踐表明，在軟土場地建造儲油罐采用鋼筋混凝土環(huán)梁式基礎(chǔ)具有明顯優(yōu)勢。鋼筋混凝土環(huán)梁與經(jīng)過壓密的砂墊層形成儲油罐整體基礎(chǔ)，兩者共同作用，組成具有較大剛度的圓柱體，其直徑與儲罐直徑相同或稍大，一般可作為彈性體考慮。環(huán)梁因約束砂墊層的側(cè)向變形，其內(nèi)部產(chǎn)生較大的環(huán)向拉力，環(huán)向拉力是設(shè)計基礎(chǔ)環(huán)梁需要考慮的重要參數(shù)。

目前，大型儲罐基礎(chǔ)環(huán)梁設(shè)計與計算主要按SH/T 3068-2007石油化工企業(yè)鋼儲罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范規(guī)定執(zhí)行，另外SHJ 1058-84煉油廠鋼油罐基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)規(guī)定、石化總公司洛陽設(shè)計院等也提供了計算公式可供參考。在具體執(zhí)行過程中，我們發(fā)現(xiàn)這幾種環(huán)梁單位高度的環(huán)向力簡化計算公式中都包含儲罐直徑的一次項，說明環(huán)向力與儲罐直徑成正比關(guān)系。本文針對這一問題，采用非線性數(shù)值的方法對實例工程的基礎(chǔ)環(huán)梁環(huán)向拉力進行計算，與簡化方法的計算結(jié)果對比，以分析各種方法的差異，并提出合理的設(shè)計指導(dǎo)意見。

1 工程概況

本工程為某油品碼頭油庫擴建工程，擬建12個浮頂儲油罐，單罐容積為5.5×104m3，高 15.9 m，罐內(nèi)直徑 66.6 m。采用鋼筋混凝土環(huán)梁基礎(chǔ)，環(huán)梁高度為2.85 m，地下埋深為1.85 m，厚度0.45 m。環(huán)梁內(nèi)墊層分吹填土和砂墊層兩層。主要場地由人工吹填而成，地質(zhì)勘查報告顯示，罐區(qū)自上而下主要為:①人工吹填土，4 m～5 m厚，壓縮性高;②黃褐色淤泥質(zhì)亞土，厚度9 m～12 m;③深灰色淤泥質(zhì)粘土，厚度約12.15 m～13.3 m，呈軟可塑以至流動狀態(tài)，高壓縮性;④黃褐色亞粘土，厚度為4.2 m～5.6 m，呈可塑～堅硬狀態(tài)，中等壓縮性;⑤淤泥質(zhì)亞粘土，厚度大于24 m，土的性質(zhì)同第③層土相接近，壓縮性高。各土層參數(shù)見表1。

表1 土層主要物理力學(xué)參數(shù)

2 基礎(chǔ)環(huán)梁受力分析

大型儲油罐常采用的基礎(chǔ)形式有三種:1)護坡式基礎(chǔ);2)外環(huán)梁式基礎(chǔ);3)內(nèi)環(huán)梁式基礎(chǔ)。

根據(jù)罐區(qū)場地的地質(zhì)情況，地層土中含有較厚的高壓縮性土層，本項工程采用鋼筋混凝土內(nèi)環(huán)梁基礎(chǔ)，儲油罐直接安裝在環(huán)梁上(見圖1)，環(huán)梁內(nèi)采用砂石墊層。

環(huán)梁的受力情況較為復(fù)雜，主要有:1)環(huán)墻頂面油罐壁荷重p1;2)儲罐及罐內(nèi)液體自重荷載q1(x)，環(huán)基內(nèi)側(cè)大面積儲液荷重及砂墊層自重產(chǎn)生的側(cè)向水平側(cè)壓力q1(z);3)環(huán)基內(nèi)壁砂墊層的豎向摩擦力τ(z)，這是由于在沉降過程環(huán)基與砂墊層之間出現(xiàn)豎向剪切變形引起的;4)環(huán)基底面地基反力q2(x);5)環(huán)梁外側(cè)土壓力q2(z)，如圖2所示。

3 基礎(chǔ)環(huán)梁環(huán)向拉力計算

對基礎(chǔ)環(huán)梁環(huán)向拉力主要按照SH 3068-2007石油化工企業(yè)鋼儲罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范規(guī)定執(zhí)行，它采用朗肯土壓力公式計算土的側(cè)壓力，建立環(huán)梁每米高環(huán)向力設(shè)計值計算公式:

其中，T為單位高環(huán)梁環(huán)向拉力的設(shè)計值，kN/m;γW，γm分別為水和墊層的重力密度，kN/m3;γQW，γQm分別為水和墊層自重的分項系數(shù);K為環(huán)梁內(nèi)側(cè)壓力系數(shù)。

配筋面積按下式計算:

其中，γ0為重要性系數(shù)。

對不同直徑的儲油罐，分別采用規(guī)范中的簡化計算方法和非線性方法計算基礎(chǔ)環(huán)梁的環(huán)向拉力。保持儲油罐高度一致，不改變場地條件的情況，結(jié)果如圖3所示。從計算結(jié)果可見，油罐直徑小于某一值(例如，60 m)時，兩種方法計算環(huán)梁的環(huán)向拉力都隨著直徑增大，但當(dāng)油罐直徑超過某一值，數(shù)值計算結(jié)果顯示，環(huán)梁的環(huán)向拉力并不隨直徑增大繼續(xù)增大，而是保持一個比較穩(wěn)定的值。

4 結(jié)語

隨著越來越多的大型儲油罐被建造，基礎(chǔ)環(huán)梁設(shè)計計算受到廣泛重視，這是關(guān)系到油罐安全和控制工程造價的重要問題。本文以某大型儲油罐實際工程為例，對目前常用的幾種基礎(chǔ)環(huán)梁的環(huán)向拉力計算和配筋設(shè)計的方法進行了對比。計算結(jié)果表明，各種計算方法得到的內(nèi)力和配筋計算結(jié)果相差較大;儲油罐直徑較小時，基礎(chǔ)環(huán)梁的環(huán)向拉力隨直徑增大而增大，當(dāng)油罐直徑較大時，直徑對基礎(chǔ)環(huán)梁環(huán)向拉力的影響并不像規(guī)范公式給出的那樣成正比。因此，在進行大型儲油罐基礎(chǔ)環(huán)梁設(shè)計計算時，應(yīng)該具體情況具體對待，建議進行非線性數(shù)值分析。

[1]賈慶山.儲罐基礎(chǔ)工程手冊[M].北京:中石化出版社，2002.

[2]徐至鈞.大型儲罐基礎(chǔ)地基處理與工程實例[M].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[3]鄧學(xué)晶，夏 琰.大型儲油罐地基變形與基礎(chǔ)環(huán)梁拉力計算與分析[J].工業(yè)建筑，2010(40):732-735.

[4]馮辛能.大型儲油罐環(huán)梁基礎(chǔ)的內(nèi)力分析[J].土木工程學(xué)報，1986，19(2):47-56.

[5]SH/T 3068-2007，石油化工鋼儲罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].