陳勝森， 張 超， 陳團(tuán)海

(中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京100028)

1 概述

自從2006年廣東大鵬LNG項(xiàng)目投產(chǎn)以來，我國已建成投產(chǎn)LNG接收站近20座，建成大型LNG儲(chǔ)罐近100座。由于LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)技術(shù)為LNG接收站設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的技術(shù)，其設(shè)計(jì)難度較大，早期國內(nèi)的LNG儲(chǔ)罐均由CBI、IHI、TGE等國際大公司設(shè)計(jì)，隨著不斷地技術(shù)攻關(guān)，目前三大石油公司均已經(jīng)掌握大型LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的核心技術(shù)。在大型LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)規(guī)范方面，國際主流的還是歐洲規(guī)范、美國規(guī)范及日本規(guī)范，我國在這方面也做了一定的工作，包括中海石油氣電集團(tuán)牽頭編制了國標(biāo)推薦規(guī)范GB/T 26978—2011《現(xiàn)場(chǎng)組裝立式圓筒平底鋼質(zhì)液化天然氣儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)與建造》及以中國寰球工程公司牽頭編制的國標(biāo)GB 51156—2015《液化天然氣接收站工程設(shè)計(jì)規(guī)范》( 以下簡(jiǎn)稱GB 51156)，這兩項(xiàng)規(guī)范為國內(nèi)LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)提供了一定的指導(dǎo)，但是由于規(guī)范數(shù)量較少且不成體系，在設(shè)計(jì)過程中還必須同時(shí)參考?xì)W美設(shè)計(jì)規(guī)范。

關(guān)于大型LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)荷載組合的規(guī)定，我國規(guī)范涉及較少，只有規(guī)范GB 51156對(duì)操作基準(zhǔn)地震 (operating base earthquake, OBE)和安全停運(yùn)地震 (safe shutdown earthquake, SSE)的地震荷載組合工況下水平地震和豎向地震的荷載系數(shù)進(jìn)行了規(guī)定，對(duì)其他荷載并無要求，因此設(shè)計(jì)時(shí)主要參考以EN 14620—2006《工作溫度0 ℃到-165 ℃的冷凍液化氣體儲(chǔ)存用現(xiàn)制立式圓筒平底鋼罐的設(shè)計(jì)與制造》 (以下簡(jiǎn)稱EN 14620)為主規(guī)范的歐洲規(guī)范體系以及以API 625—2010《低溫液化氣存儲(chǔ)系統(tǒng)》 (以下簡(jiǎn)稱API 625)、NFPA 59A—2016《液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)》 (以下簡(jiǎn)稱NFPA 59A)為主規(guī)范的美國規(guī)范體系，但是這兩個(gè)規(guī)范體系在荷載組合方面存在一定的差異性。而荷載組合是LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的核心，設(shè)計(jì)過程中采用的荷載類型、荷載組合工況以及荷載系數(shù)直接影響設(shè)計(jì)結(jié)果，荷載組合的合理程度直接反映了各大設(shè)計(jì)公司的水平，為此本文主要對(duì)歐美規(guī)范中荷載組合的差異性進(jìn)行分析，為大型LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

本文涉及的主要荷載組合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有以下12項(xiàng)。

① EN 1991-1-1—2002，《Actions on structures -Part 1-1: General actions - Densities, self-weight, imposed loads for buildings》，《結(jié)構(gòu)上的作用，第1-1部分：一般作用——建筑物的密度、自重和外加荷載》(以下簡(jiǎn)稱EN 1991-1-1)；

② EN 1998-1—2004，《Design of structures for earthquake resistance- Part 1: General rules, seismic actions and rules for buildings》，《抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，第1部分：建筑物用一般規(guī)則、地震作用和規(guī)則》(以下簡(jiǎn)稱EN 1998-1)；

③ EN 1998-4—2006, 《Design of structures for earthquake resistance- Part 4: Silos, tanks and pipelines》,《抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，第4部分：筒倉、貯水池和管道》(以下簡(jiǎn)稱EN 1998-4)；

④ EN 1990—2002, 《Basis of Structural Design》，《結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》(以下簡(jiǎn)稱EN 1990)；

⑤ EN 1992-1-1—2004, 《Design of concrete structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings》，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，第1-1部分：一般規(guī)程與建筑設(shè)計(jì)規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱EN 1992-1-1)；

⑥ BS 8007—1987, 《Code of practice for design of concrete structures for retaining aqueous liquids》，《防水混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》(以下簡(jiǎn)稱BS 8007)；

⑦ BS 8110-1—1997, 《Structural use of concrete - Part 1: Code of practice for design and construction》，《混凝土的建筑用途，第一部分：設(shè)計(jì)和建筑實(shí)用導(dǎo)則》(以下簡(jiǎn)稱BS 8110-1)；

⑧ API 620—2013, 《Design and Construction of Large, Welded, Low-pressure Storage Tanks》，《大型焊接低壓儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)與建造》(以下簡(jiǎn)稱API 620)；

⑨ API 650—2016, 《Welded Tanks for Oil Storage》，《焊接石油儲(chǔ)罐》(以下簡(jiǎn)稱API 650)；

⑩ ACI 376—2011，《Code Requirements for Design and Construction of Concrete Structures for the Containment of Refrigerated Liquefied Gases and Commentary》，《混凝土結(jié)構(gòu)的包容式低溫冷凍液化氣體儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)及建造規(guī)定》(筆者所譯)，(以下簡(jiǎn)稱ACI 376)；

2 兩種規(guī)范體系中荷載組合要點(diǎn)

① 歐洲規(guī)范

在歐洲規(guī)范體系中，EN 14620為LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的主規(guī)范。該規(guī)范對(duì)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)所需考慮的基本荷載及荷載組合進(jìn)行了詳細(xì)的說明及參照指引，設(shè)計(jì)荷載分為兩大類：正常荷載及偶然荷載，其中正常荷載包括永久荷載、罐頂活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、保冷系統(tǒng)壓力、內(nèi)部設(shè)計(jì)正壓、內(nèi)部設(shè)計(jì)負(fù)壓(真空度)、沉降荷載、管道附屬荷載、施工荷載、水壓試驗(yàn)荷載、氣壓試驗(yàn)荷載(包括正負(fù)氣壓)、溫度荷載、OBE地震荷載等；偶然荷載包括泄漏荷載、SSE地震荷載、火災(zāi)荷載、爆炸荷載，部分儲(chǔ)罐建設(shè)方還會(huì)根據(jù)實(shí)際情況增加沖擊荷載。

對(duì)于各荷載計(jì)算方法及荷載組合規(guī)則，則須參考規(guī)范EN 1991-1-1，在該規(guī)范中，對(duì)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的基本荷載比如永久荷載與罐頂活荷載計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)的描述，而對(duì)于地震荷載的計(jì)算則須參考規(guī)范EN 1998-1及EN 1998-4，這些荷載規(guī)范中除了給出各自荷載計(jì)算的要求外，還規(guī)定了對(duì)應(yīng)的荷載在不同類型工況中的組合系數(shù)。而對(duì)于儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)中荷載組合及荷載系數(shù)的確定則須參考規(guī)范EN 1990。

儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)需要考慮兩種極限狀態(tài)：承載能力極限狀態(tài)(Ultimate limit state, ULS)與正常使用極限狀態(tài)(Serviceability limit states, SLS)，前者主要用于儲(chǔ)罐相關(guān)的設(shè)計(jì)，后者主要用于設(shè)計(jì)校核。通常SLS工況采用標(biāo)準(zhǔn)組合即可，而對(duì)于ULS工況的組合，針對(duì)正常荷載工況、偶然荷載工況有不同的要求，并且對(duì)地震荷載工況的荷載組合進(jìn)行了專門的規(guī)定。

對(duì)于正常荷載工況，其荷載組合形式如下：

(1)

式中Ed——組合后的荷載效應(yīng)值

n——永久荷載數(shù)量

γG,j——第j種永久荷載Gk,j的分項(xiàng)系數(shù)

EGk,j——第j種永久荷載Gk,j的荷載效應(yīng)值

γP——預(yù)應(yīng)力荷載P的分項(xiàng)系數(shù)

EP——預(yù)應(yīng)力荷載P的荷載效應(yīng)值

γQ,1——主導(dǎo)可變荷載Qk,1的分項(xiàng)系數(shù)

EQk,1——主導(dǎo)可變荷載Qk,1的荷載效應(yīng)值

m——非主導(dǎo)可變荷載數(shù)量

γQ,i——第i種可變荷載Qk,i的分項(xiàng)系數(shù)

Ψ0,i——第i種可變荷載Qk,i的組合系數(shù)

EQk,i——第i種可變荷載Qk,i的荷載效應(yīng)值

當(dāng)永久荷載Gk,j或者主導(dǎo)可變荷載Qk,1對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)，為了考慮最不利的情況，式(1)可以變?yōu)椋?/p>

(2)

(3)

式中Ψ0,1——主導(dǎo)可變荷載Qk,1的組合系數(shù)

ξj——永久荷載Gk,j的縮減系數(shù)

對(duì)于偶然荷載工況，其荷載組合形式如下：

(4)

式中EAd——偶然荷載的荷載效應(yīng)值

Ψ1,1——主導(dǎo)可變荷載Qk,1的頻遇值系數(shù)

Ψ2,i——第i種可變荷載Qk,i的準(zhǔn)永久值系數(shù)

對(duì)于地震荷載工況，其荷載組合形式如下：

(5)

式中EEd——地震荷載的荷載效應(yīng)值

以上式(1)～(5)給出了荷載組合的基本原則，對(duì)于各個(gè)基本荷載的荷載系數(shù)，需要通過荷載的分項(xiàng)系數(shù)、組合系數(shù)、頻遇值系數(shù)和準(zhǔn)永久值系數(shù)確定?；谙嚓P(guān)規(guī)范的要求，LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)荷載的荷載系數(shù)確定要點(diǎn)具體如下。

a. 對(duì)于永久荷載，主要包含儲(chǔ)罐自重以及管道等附屬構(gòu)件的重量，根據(jù)規(guī)范EN 1990的附錄A，永久荷載根據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)不利和有利兩種情況分別取1.35和1.00的荷載系數(shù)；對(duì)于式(3)若永久荷載對(duì)結(jié)構(gòu)有利還需要考慮0.85的縮減系數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)不利不考慮縮減系數(shù)，因此對(duì)于該情況永久荷載的荷載系數(shù)分別為1.15和1.00。另外根據(jù)EN 14620-1表1的要求，當(dāng)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的偶然荷載為控制工況時(shí)，其恒載(永久荷載)的荷載系數(shù)針對(duì)不利和有利兩種情況分別取1.05和1.00。

b.對(duì)于可變荷載，無論是控制可變荷載和非控制可變荷載，其分項(xiàng)系數(shù)根據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)不利和有利兩種情況分別取1.50和0.00；儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的風(fēng)荷載、罐頂活荷載以及溫度荷載這3種可變荷載，當(dāng)其為非控制可變荷載時(shí)，根據(jù)規(guī)范EN 1990的表A1.1，其組合系數(shù)分別為0.60、0.70和0.60，因此這3種荷載對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí)其荷載系數(shù)分別為：0.90、1.05和0.90。而當(dāng)偶然荷載為控制可變荷載時(shí)，根據(jù)EN 14620-1表1的規(guī)定，風(fēng)荷載的荷載系數(shù)取0.30。

c.對(duì)于預(yù)應(yīng)力荷載，根據(jù)規(guī)范1992-1-1的2.4.2.2款規(guī)定，正常荷載工況其荷載系數(shù)取1.30，偶然荷載工況取1.05。

d.對(duì)于LNG液壓及蒸發(fā)氣(BOG)氣壓荷載，規(guī)范BS 8007和BS 8110均有相關(guān)的規(guī)定，推薦的荷載系數(shù)為1.20和1.40，考慮到LNG儲(chǔ)罐中對(duì)于液位及氣壓均有嚴(yán)格的要求，荷載參數(shù)準(zhǔn)確度相對(duì)較高，因此，儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)時(shí)正常荷載工況下荷載系數(shù)取1.20，滿罐地震工況下取1.05。

e.對(duì)于水壓和氣壓試驗(yàn)荷載，規(guī)范中沒有明確的要求，考慮到試驗(yàn)參數(shù)要求嚴(yán)格控制，這兩個(gè)荷載的準(zhǔn)確度相當(dāng)高，荷載系數(shù)取1.05。

f.對(duì)于混凝土收縮荷載，根據(jù)規(guī)范EN 1992-1-1的2.4.2.1款，其荷載系數(shù)取1.00。

g.對(duì)于偶然荷載，根據(jù)EN 14620-1的表1，其荷載系數(shù)取1.00。

根據(jù)以上7點(diǎn)，基于歐標(biāo)確定的ULS工況荷載組合方案見表1。

② 美國規(guī)范

在美國規(guī)范體系中，LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的主規(guī)范是美國石油協(xié)會(huì)編制的規(guī)范API 625及消防協(xié)會(huì)編制的規(guī)范NFPA 59A，其內(nèi)罐相關(guān)的計(jì)算與設(shè)計(jì)還參考規(guī)范API 620以及API 650；對(duì)于混凝土外罐的設(shè)計(jì)，在主規(guī)范中指向美國混凝土協(xié)會(huì)編制的規(guī)范ACI 376。在美國規(guī)范中，儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的荷載包括：恒載、預(yù)應(yīng)力荷載、產(chǎn)品壓力荷載(液壓荷載、氣壓荷載、水壓試驗(yàn)荷載、氣壓試驗(yàn)荷載)、溫度荷載、建造荷載、安裝荷載、調(diào)試荷載、混凝土收縮荷載、混凝土蠕變荷載、活荷載、差異沉降、環(huán)境荷載(風(fēng)荷載、雪荷載)、地震荷載、爆炸與沖擊荷載、火災(zāi)荷載。

表1 基于歐標(biāo)的儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)ULS工況荷載組合方案

對(duì)于混凝土外罐在ULS工況下的荷載組合方案，ACI 376直接基于規(guī)范ACI 350和ACI 318的要求給出了荷載組合表，具體見表2。

3 兩種規(guī)范荷載組合關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)比分析

① 組合工況類型

對(duì)比表1與表2可知，在歐洲和美國規(guī)范中考慮的組合工況類型相同，均包括施工、試驗(yàn)、操作及偶然荷載工況，而偶然荷載工況又包括地震荷載、泄漏、火災(zāi)、爆炸及沖擊荷載工況。

在每一類組合工況中包含的細(xì)項(xiàng)工況中略微存在一定的差別，具體如下。

a.在美標(biāo)中施工工況分為外罐建造及內(nèi)罐安裝工況，而歐標(biāo)通常只考慮外罐的建造工況，而內(nèi)罐安裝荷載只對(duì)施工附屬構(gòu)件的設(shè)計(jì)有影響，對(duì)儲(chǔ)罐主體的外罐及內(nèi)罐設(shè)計(jì)無影響，因此可以認(rèn)為這兩個(gè)規(guī)范中施工工況是一致的。

表2 基于美標(biāo)的儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)ULS工況荷載組合方案

b.關(guān)于試驗(yàn)與調(diào)試工況，在歐標(biāo)中只考慮了水壓試驗(yàn)及氣壓試驗(yàn)工況，而在美標(biāo)中還考慮了調(diào)試工況，在調(diào)試工況中主要考慮由于預(yù)冷產(chǎn)生的溫度荷載對(duì)內(nèi)罐底板局部的作用，對(duì)外罐及內(nèi)罐整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)幾乎無影響，因此可以認(rèn)為這兩個(gè)規(guī)范在試驗(yàn)與調(diào)試工況方面是一致的。

c.在地震組合工況方面，歐標(biāo)中包括2種組合工況：SSE和“泄漏+OBE”，而美標(biāo)中包括3個(gè)組合工況：OBE、SSE和“泄漏+SSEaft”，雖然OBE地震荷載的荷載系數(shù)為1.3，SSE地震的荷載系數(shù)為1，但通常在“1.3×OBE”與SSE比較時(shí)，SSE地震荷載為控制荷載；而對(duì)于OBE與SSEaft荷載的比較，根據(jù)“SSEaft可以取SSE地震荷載效應(yīng)的50%，SSE地震荷載不宜超過OBE地震荷載兩倍[1]”的規(guī)定，“泄漏+OBE”與“泄漏+SSEaft”對(duì)儲(chǔ)罐的荷載效應(yīng)值基本相同，因此可以認(rèn)為這兩個(gè)規(guī)范在地震組合工況方面是一致的。

② 關(guān)鍵荷載的荷載系數(shù)

在歐標(biāo)和美標(biāo)的荷載組合方案中，需要計(jì)算的基本荷載類型均接近30種，組合工況為100～200個(gè)，每個(gè)組合工況各個(gè)基本荷載的荷載系數(shù)均存在差異。根據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，恒載、地震荷載、預(yù)應(yīng)力荷載及試驗(yàn)荷載這4種荷載對(duì)儲(chǔ)罐混凝土外罐及樁基的設(shè)計(jì)影響較大，以下主要對(duì)比兩種規(guī)范體系中這4種關(guān)鍵荷載的荷載系數(shù)。

a.恒載

恒載主要包括儲(chǔ)罐自重荷載及相關(guān)附屬構(gòu)件重力荷載，該荷載對(duì)儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的影響較大。在歐標(biāo)中，對(duì)于正常荷載工況該荷載的荷載系數(shù)取1.35和1.00，對(duì)于偶然荷載工況取1.05和1.00；在美標(biāo)中，對(duì)于正常荷載工況該荷載的荷載系數(shù)取1.20和0.90，對(duì)于偶然荷載工況取1.00和0.90，對(duì)于只有產(chǎn)品壓力荷載時(shí)取1.40。整體來看，歐標(biāo)中恒載的荷載系數(shù)要大于美標(biāo)，這可能使得采用歐標(biāo)計(jì)算時(shí)，儲(chǔ)罐樁基在水壓試驗(yàn)及地震工況下沉降更大，承臺(tái)受到的沖剪更大，承臺(tái)所需配筋面積更高。

對(duì)于儲(chǔ)罐樁基最大沉降分析時(shí)，在美標(biāo)中存在恒載及液壓荷載的荷載系數(shù)均取1.40的組合工況，該工況下儲(chǔ)罐受到的豎向荷載大于歐標(biāo)中“1.35×恒載+1.2×液壓荷載”及“1.35×恒載+1.05×水壓試驗(yàn)荷載”兩個(gè)組合工況，因此采用美標(biāo)計(jì)算時(shí)儲(chǔ)罐的最大沉降量更大。

b.地震荷載

地震荷載對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響非常大，通常是儲(chǔ)罐樁基及承臺(tái)結(jié)構(gòu)配筋的控制荷載，在這兩種規(guī)范中SSE地震的荷載系數(shù)均為1.00，因此地震組合工況中主要看其他荷載對(duì)SSE地震荷載影響的情況，通常恒載對(duì)水平SSE有較大的影響，恒載越小SSE地震荷載效應(yīng)越大。當(dāng)考慮恒載對(duì)整個(gè)組合工況有利時(shí)，美標(biāo)中SSE組合工況中恒載的荷載系數(shù)為0.90，歐標(biāo)為1.00，因此采用美標(biāo)時(shí)SSE地震荷載組合工況的荷載效應(yīng)更大，主要表現(xiàn)為樁基配筋增多。

c.預(yù)應(yīng)力荷載

通常預(yù)應(yīng)力荷載對(duì)墻體受力有較大的改善作用，能夠有效地降低墻體配筋，但是在局部位置則容易造成應(yīng)力集中提高所需配筋面積，比如在外墻根部通常會(huì)由于底部墻體受到較大的豎向預(yù)應(yīng)力導(dǎo)致豎向受拉而需要較大的配筋。在歐標(biāo)中考慮對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí)，針對(duì)正常荷載工況與偶然荷載工況，預(yù)應(yīng)力荷載的荷載系數(shù)分別為1.30和1.05，而在美標(biāo)中所有的預(yù)應(yīng)力荷載的荷載系數(shù)均為1.00，因此采用歐標(biāo)計(jì)算時(shí)墻體底部的豎向配筋相對(duì)美標(biāo)要大。

d.試驗(yàn)荷載

試驗(yàn)荷載對(duì)儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有較大的影響，一方面試驗(yàn)荷載是100%發(fā)生的荷載，另一方面試驗(yàn)荷載要大于正常操作荷載，比如水壓試驗(yàn)荷載時(shí)的液重是LNG滿罐時(shí)的1.25倍，氣壓試驗(yàn)時(shí)的氣壓荷載為最大操作工況氣壓荷載的1.25倍。在儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)中，水壓試驗(yàn)荷載對(duì)樁基沉降影響較大，氣壓試驗(yàn)為穹頂混凝土結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)的控制荷載，在歐標(biāo)中試驗(yàn)荷載的荷載系數(shù)為1.05，美標(biāo)中為1.20，因此采用美標(biāo)時(shí)穹頂配筋面積相對(duì)歐標(biāo)要大。

根據(jù)以上分析可知，對(duì)于樁基豎向荷載及其最大沉降、樁基配筋以及穹頂配筋方面，采用美標(biāo)計(jì)算結(jié)果更大；對(duì)于承臺(tái)、墻體底部和上部受力集中區(qū)域配筋采用歐標(biāo)計(jì)算結(jié)果更大，對(duì)于墻體中部只需滿足最小配筋率即可，采用兩個(gè)規(guī)范的結(jié)果一致。

4 算例

以16×104m3LNG儲(chǔ)罐為例，該儲(chǔ)罐所在區(qū)域設(shè)防地震加速度為0.1g，儲(chǔ)罐采用架高式承臺(tái)基礎(chǔ)，樁基類型為嵌巖樁，樁長范圍為41～61 m。采用有限元軟件ANSYS建立儲(chǔ)罐三維有限元模型，見圖1。在該模型中樁基全尺寸模擬，并采用三維插值法確定每根樁穿越的每層地層，樁土交互作用采用兩個(gè)水平及一個(gè)豎向非線性彈簧模擬。

圖1 LNG儲(chǔ)罐三維有限元模型

采用響應(yīng)譜方法對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行地震響應(yīng)分析，輸入響應(yīng)譜時(shí)考慮儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)中不同部位的阻尼比，通過SRSS模態(tài)組合法[1]確定儲(chǔ)罐外罐及內(nèi)罐各結(jié)構(gòu)水平地震響應(yīng)加速度結(jié)果，見表3。

表3 儲(chǔ)罐地震加速度響應(yīng)結(jié)果

分別根據(jù)歐標(biāo)和美標(biāo)對(duì)儲(chǔ)罐的基本荷載進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)前文確定的荷載組合方法及荷載系數(shù)確定組合工況。由于儲(chǔ)罐樁基整體不具有對(duì)稱性，因此計(jì)算水平地震時(shí)需要考慮兩個(gè)水平方向的地震，采用歐標(biāo)法進(jìn)行組合時(shí)共176個(gè)組合工況，采用美標(biāo)法進(jìn)行組合時(shí)共177個(gè)組合工況。

根據(jù)以上確定的荷載計(jì)算方案提取外罐及樁基計(jì)算結(jié)果，對(duì)于外罐提取具有代表性的承臺(tái)下表面徑向配筋面積、墻體外側(cè)豎向配筋面積及穹頂上表面徑向配筋面積進(jìn)行比較。為了準(zhǔn)確地反映荷載對(duì)配筋面積的影響情況，對(duì)比時(shí)不考慮最小配筋率的限制，采用配筋面積實(shí)際計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，采用歐標(biāo)和美標(biāo)計(jì)算所得承臺(tái)、墻體及穹頂?shù)呐浣蠲娣e變化見圖2～4(圖中ENcode指歐洲規(guī)范，APIcode指美國規(guī)范)。

圖2 承臺(tái)下表面徑向配筋面積隨半徑變化曲線

圖3 墻體外側(cè)豎向配筋面積隨高度變化曲線

圖4 穹頂上表面徑向配筋面積隨半徑變化曲線

由圖2可知，采用歐標(biāo)和美標(biāo)確定的承臺(tái)下表面徑向配筋面積隨半徑變化趨勢(shì)完全一致，均在內(nèi)外罐之間位置出現(xiàn)極大值，在數(shù)值方面采用歐標(biāo)計(jì)算結(jié)果略大于美標(biāo)計(jì)算結(jié)果，最大差異為12.4%。由圖3可知，采用兩種規(guī)范計(jì)算的墻體外側(cè)豎向配筋面積變化趨勢(shì)一致，在5 m以下均需要較大的配筋面積，5 m以上配筋面積驟降，并且在該區(qū)域兩種規(guī)范計(jì)算所得配筋面積幾乎完全相同；在數(shù)值方面采用歐標(biāo)計(jì)算結(jié)果略大于美標(biāo)計(jì)算結(jié)果，最大差異位置在墻體根部，最大差異為23.5%。由圖4可知，采用兩種規(guī)范確定的穹頂上表面徑向配筋面積隨半徑的變化趨勢(shì)一致，但數(shù)值方面的差異相對(duì)承臺(tái)和墻體要大，在半徑35 m之內(nèi)采用美標(biāo)的計(jì)算結(jié)果大于歐標(biāo)，最大差異達(dá)到24.5%；在半徑35 m之外采用歐標(biāo)的計(jì)算結(jié)果大于美標(biāo)，最大差異達(dá)到22.3%，由于在半徑35 m之外為穹頂厚度變化段及與墻體連接段，存在大量的構(gòu)造配筋，因此整體來看采用美標(biāo)計(jì)算時(shí)穹頂配筋面積大。

對(duì)于樁基計(jì)算結(jié)果，選取樁身彎矩及樁基沉降量進(jìn)行對(duì)比分析。選取一根長度42 m的樁，在歐標(biāo)和美標(biāo)兩種荷載計(jì)算方案下，樁基彎矩隨地層深度的變化見圖5。

圖5 樁基彎矩隨地層深度的變化

由圖5可以看出，采用兩種規(guī)范計(jì)算的彎矩變化趨勢(shì)完全一致，均由地表處的近4 000 kN·m至地表以下15 m處的接近0；在數(shù)值比較方面，采用兩種規(guī)范計(jì)算結(jié)果的最大差異在地表位置，差異為2.6%。在樁基沉降方面，采用兩種規(guī)范計(jì)算的儲(chǔ)罐樁基豎向位移云圖見圖6(圖中數(shù)值相應(yīng)的單位為mm)，對(duì)比圖6a、6b可知，采用兩種規(guī)范計(jì)算時(shí)最大沉降量的差異為4.4%。

圖6 儲(chǔ)罐樁基豎向位移云圖

通過以上計(jì)算表明，采用兩種規(guī)范的荷載組合方案計(jì)算結(jié)果相差較小，只是在極值方面存在一定的差異，采用歐標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，承臺(tái)和墻體的配筋結(jié)果偏大，而采用美標(biāo)設(shè)計(jì)時(shí)，樁基及穹頂?shù)脑O(shè)計(jì)結(jié)果偏大。

5 結(jié)論

① 采用兩種規(guī)范所考慮的組合工況大體相同，美標(biāo)相對(duì)歐標(biāo)多了內(nèi)罐安裝、調(diào)試及OBE地震荷載，但是通過計(jì)算與分析表明這個(gè)3種荷載類型對(duì)儲(chǔ)罐的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)幾乎沒有影響。

② 在荷載系數(shù)方面，兩種規(guī)范對(duì)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的關(guān)鍵荷載SSE地震均取1；對(duì)于其他關(guān)鍵荷載，歐標(biāo)中恒載及預(yù)應(yīng)力荷載的荷載系數(shù)大于美標(biāo)，試驗(yàn)荷載的荷載系數(shù)小于美標(biāo)，但是美標(biāo)中需要考慮恒載荷載系數(shù)為1.4的極端工況，在該工況中只考慮恒載及產(chǎn)品壓力。

③ 基于兩種規(guī)范對(duì)儲(chǔ)罐外罐混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，其截面配筋隨半徑或者高度的變化趨勢(shì)完全一致，并且在大部分區(qū)域配筋相近，只是在極值位置存在一定的差異，采用歐標(biāo)設(shè)計(jì)的承臺(tái)及墻體在極值位置配筋面積大于美標(biāo)，穹頂在中心大部分位置配筋面積小于美標(biāo)，差異均保持在25%以內(nèi)。

④ 采用兩種規(guī)范進(jìn)行儲(chǔ)罐樁基設(shè)計(jì)時(shí)，樁基的彎矩變化趨勢(shì)及沉降位移分布情況完全一致；由于樁基設(shè)計(jì)受SSE地震荷載影響較大，而兩種規(guī)范中SSE地震荷載的荷載系數(shù)相同，通過計(jì)算表明兩種規(guī)范下的樁基彎矩及沉降位移結(jié)果差異較小，最大差異不超過5%。