馬曉慧 陳珊 賀虎成

(北京特種工程設(shè)計(jì)研究院 100028)

引言

覆土油庫(kù)因其儲(chǔ)存環(huán)境溫濕度相對(duì)恒定、油品損耗小、與環(huán)境融合度高、造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn),在油庫(kù)建設(shè)中被較多選用。覆土油庫(kù)儲(chǔ)罐[1]容量通常為300m3～5000m3,罐室較小,內(nèi)直徑不超過(guò)24.6m。為提高建設(shè)效益,近年來(lái)實(shí)施的國(guó)家成品油儲(chǔ)備工程中覆土立式油罐[1]設(shè)計(jì)容量躍升至10000m3。本文結(jié)合多年覆土油庫(kù)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐,以河北某儲(chǔ)備油庫(kù)10000m3覆土罐室為例,對(duì)大跨度覆土立式油罐罐室的構(gòu)成、結(jié)構(gòu)選型和設(shè)計(jì)、計(jì)算難點(diǎn)等進(jìn)行歸納總結(jié),提出大跨度覆土立式油罐罐室的設(shè)計(jì)思路,為相關(guān)工程設(shè)計(jì)與研究提供參考。

1 覆土罐室的基本組成

覆土立式油罐罐室為一種設(shè)置油品儲(chǔ)罐的地下構(gòu)筑物,應(yīng)根據(jù)油罐的容量、地形條件及經(jīng)濟(jì)條件等確定其合理平面和豎向尺寸,使其與地形和環(huán)境相協(xié)調(diào)。根據(jù)保溫隔熱及隱蔽需要,罐室頂部的覆土厚度不應(yīng)小于0.5m[1],常栽種草皮、矮灌木穩(wěn)固土層。

根據(jù)使用功能分區(qū),覆土立式油罐罐室通常由罐室、操作間、通道三部分組成(圖1)。罐室為油罐儲(chǔ)存區(qū),由立式鋼油罐、環(huán)行檢修走道組成。覆土罐室外圍為環(huán)形外墻及頂部的鋼筋混凝土殼體。操作間位于罐室及通道連接處,布設(shè)工藝管線與閥門(mén)儀表等設(shè)備,一般與通道聯(lián)合布置。操作間與罐室間設(shè)承壓密閉門(mén),以阻擋油罐發(fā)生事故時(shí)的油品泄漏。通道供人員及檢修設(shè)備出入兼具自然通風(fēng)功能,一般覆土罐室多設(shè)計(jì)為斜通道式或豎直通道式,通道形式結(jié)合供油專(zhuān)業(yè)及總平面布置、地形、環(huán)境等因素確定。

圖1 覆土罐室平面示意Fig.1 Plan of buried oil tank room

2 覆土罐室的結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計(jì)

該工程抗震設(shè)防烈度為7 度,持力層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖,油罐設(shè)計(jì)容量為10000m3,考慮與周?chē)匦魏铜h(huán)境協(xié)調(diào)并保持土方平衡,罐室覆土頂面標(biāo)高受限,因此該工程10000m3鋼制立式油罐設(shè)計(jì)為矮胖型非標(biāo)準(zhǔn)罐,油罐設(shè)計(jì)直徑32m,覆土罐室結(jié)構(gòu)內(nèi)直徑因此達(dá)到34m。該工程為目前國(guó)內(nèi)已建成的最大跨度覆土立式油罐罐室,已投入使用并安全運(yùn)行數(shù)年,其平、剖面如圖2 所示。

2.1 罐室墻體

罐室外墻為內(nèi)直徑D0=34m 的圓柱形,使用階段主要承受周邊填土及填土頂面活荷載產(chǎn)生的側(cè)壓力,以及罐室頂部殼體傳來(lái)的垂直荷載。土體側(cè)壓力沿墻高線性變化,環(huán)形外墻常設(shè)計(jì)為內(nèi)側(cè)垂直、外側(cè)階梯形變化的變墻厚形式以充分利用材料強(qiáng)度。

1.結(jié)構(gòu)選型

該工程當(dāng)時(shí)所依據(jù)的《石油庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50074-2002)[2]第6.0.7 條規(guī)定“罐室墻應(yīng)采用磚石或混凝土塊漿砌”,然而隨著罐容倍增外墻計(jì)算厚度顯著增加,為此進(jìn)行方案比選以優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖2 罐室平、剖面示意(單位： mm)Fig.2 Plan and section of tank room(unit: mm)

方案一: 采用MU15 普通實(shí)心磚外墻,墻厚由底到頂為1800mm ～900mm,沿墻高間隔約2.6m 需設(shè)置環(huán)形加強(qiáng)圈梁。取材方便,但磚塊尺寸小砌筑進(jìn)度慢。

方案二: 采用MU15 混凝土砌塊外墻,墻厚由底到頂為1100mm ～600mm,沿墻高間隔約2.6m 需設(shè)置環(huán)形加強(qiáng)圈梁。需專(zhuān)門(mén)制作190mm×190mm×290/390mm 的實(shí)心混凝土砌塊。

方案三: 采用C30 鋼筋混凝土外墻,墻厚500mm ～400mm,墻體配筋基本由最小配筋率控制。

考慮外防水等因素,經(jīng)綜合經(jīng)濟(jì)測(cè)算,上述三個(gè)方案罐室土建造價(jià)基本相當(dāng),而方案三基坑開(kāi)挖范圍小,土石方量較方案一減少約8%。另外,罐室墻體在填土作用下環(huán)向受壓的受力特點(diǎn)尤其要求砌體結(jié)構(gòu)豎向灰縫的高質(zhì)量等級(jí),實(shí)際施工中不易控制,結(jié)構(gòu)離散性大?，F(xiàn)澆鋼筋混凝土罐室的整體性、防水性能均優(yōu)于砌體墻罐室。根據(jù)以上分析,本工程設(shè)計(jì)突破當(dāng)時(shí)所依據(jù)的GB50074 -2002[2]要求,選用現(xiàn)澆鋼筋混凝土墻體,結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性得到良好實(shí)現(xiàn),也為之后GB50074 -2014[1]相關(guān)條文的修訂積累了工程實(shí)踐。

2.內(nèi)力分析

外墻內(nèi)力分析需考慮施工階段及使用階段兩種工況。由于施工階段罐室外墻按頂部殼體尚未施工的敞口狀態(tài)計(jì)算,為不利受力工況,考慮經(jīng)濟(jì)性通常以使用階段為控制工況。本工程外墻基礎(chǔ)采用墻下條基,外墻使用階段可簡(jiǎn)化為上、下端鉸接的圓柱殼在軸對(duì)稱(chēng)荷載作用下計(jì)算內(nèi)力,可使用專(zhuān)門(mén)的計(jì)算軟件或查表手工計(jì)算。環(huán)向截面內(nèi)作用軸向壓力及豎向彎矩,按偏心受壓構(gòu)件驗(yàn)算強(qiáng)度; 徑向截面內(nèi)作用環(huán)向壓力及環(huán)向彎矩(因環(huán)向彎矩僅為豎向彎矩的1/6,可忽略),按中心受壓構(gòu)件驗(yàn)算強(qiáng)度。

對(duì)于罐室與操作間之間的隔墻,應(yīng)按四邊支撐的鋼筋混凝土板設(shè)計(jì),計(jì)算荷載取鋼油罐發(fā)生事故泄漏時(shí)產(chǎn)生的最大靜油壓。

2.2 罐室薄殼

罐室頂部采用鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu),可以滿足罐室大跨度、大空間的需求,經(jīng)濟(jì)合理。

1.基本幾何尺寸

罐室薄殼一般為矢跨比1/4 ～1/6 的球殼,GB50074 -2014[1]要求薄殼底面與鋼油罐頂面的凈距不小于1.2m 以滿足安裝與操作要求。薄殼厚度除滿足承載力外,還需考慮施工質(zhì)量控制、鋼筋布置、鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度等因素,一般取0.15m ～0.30m 初步估算,之后進(jìn)行各項(xiàng)內(nèi)力分析與驗(yàn)算。本工程凈跨D0=34m,罐室薄殼貼合鋼油罐頂?shù)那试O(shè)計(jì),初步試算后確定薄殼厚度t=0.25m,凈矢高f0=4.897m。根據(jù)薄殼結(jié)構(gòu)中曲面受力的特點(diǎn),結(jié)構(gòu)計(jì)算中基本尺寸應(yīng)采用以下中曲面參數(shù):

薄殼凈曲率半徑:

薄殼曲率半徑:

薄殼的最大徑向角:

薄殼的計(jì)算矢高:

薄殼的計(jì)算跨度:

薄殼計(jì)算矢跨比:

由矢跨比判定該罐室薄殼為扁球殼(圖3),依據(jù)《鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ22 -2012 )[3]進(jìn)行承載力驗(yàn)算和穩(wěn)定驗(yàn)算。

圖3 薄殼幾何尺寸示意Fig.3 Physical dimension of thin shell

2.薄殼計(jì)算荷載

該工程薄殼計(jì)算荷載包括薄殼自重、防水層重量、表層0.5m 覆土重、覆土頂面活荷載(取標(biāo)準(zhǔn)值3.0kN/m2)、雪荷載、油罐安裝檢修時(shí)薄殼底面吊重等。該薄殼為扁球殼,可不考慮風(fēng)荷載的作用。

需要注意的是,對(duì)于需考慮雪荷載的薄殼結(jié)構(gòu),由于存在陰陽(yáng)坡積雪融化速度差異或風(fēng)吹堆雪的影響,當(dāng)φα＞30° 時(shí)應(yīng)按規(guī)范JGJ22 -2012[3]公式法計(jì)算不對(duì)稱(chēng)雪荷載的作用。

3.穩(wěn)定驗(yàn)算

薄殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問(wèn)題十分復(fù)雜,設(shè)計(jì)中首先需進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算,經(jīng)試算確定合理的殼體厚度t之后再進(jìn)行其他計(jì)算。

球面殼體的穩(wěn)定性驗(yàn)算應(yīng)滿足下式[3]:

式中:qnd為殼體的法向均布荷載設(shè)計(jì)值;Ec為混凝土的彈性模量;rs為球面殼的曲率半徑;t為殼體的厚度,薄殼t≤(1/20)rs。

4.承載力計(jì)算

薄殼屬空間結(jié)構(gòu),規(guī)范公式法計(jì)算殼板內(nèi)力量大且復(fù)雜,經(jīng)設(shè)計(jì)總結(jié)發(fā)現(xiàn)在軸對(duì)稱(chēng)荷載作用下,當(dāng)球殼的特征長(zhǎng)度參數(shù)C滿足規(guī)范JGJ22 -2012 要求的適用范圍時(shí),可采用以下簡(jiǎn)化式[3]計(jì)算殼板內(nèi)力,能滿足一般工程設(shè)計(jì)的要求。

式中:Qφ為殼板計(jì)算截面以上部分的總豎向外荷載;qnc為殼板曲面上分布荷載的法向分量。

為使薄殼的變形和裂縫控制在允許范圍內(nèi),承載力計(jì)算要求殼板最大主拉應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值不宜大于3 倍的混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,不滿足時(shí)可加大殼板厚度或施加預(yù)應(yīng)力。

5.基本構(gòu)造

殼板與外環(huán)梁的連接部位由于存在邊緣擾力產(chǎn)生的徑向彎矩,殼板根部厚度應(yīng)根據(jù)內(nèi)力大小逐漸增厚至中部厚度的2 ～3 倍,增厚區(qū)與中心區(qū)應(yīng)平滑過(guò)渡以避免應(yīng)力集中,過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度不宜小于薄殼凈跨的1/12 ～1/10。

綜合前述內(nèi)力分析及構(gòu)造要求最終確定該工程薄殼中心區(qū)厚度t=250mm,根部厚度漸增至600mm,殼板根部與外環(huán)梁整體連接并配置徑向抗彎鋼筋。除按計(jì)算配筋外,薄殼還應(yīng)在無(wú)計(jì)算配筋區(qū)域配置細(xì)而密的構(gòu)造鋼筋網(wǎng),以控制殼體拉應(yīng)變和溫度裂縫的開(kāi)展。

2.3 罐室薄殼外環(huán)梁

罐室薄殼邊緣設(shè)置外環(huán)梁支撐于罐室外墻頂,外環(huán)梁連接罐室薄殼及外墻,是關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件。除基本強(qiáng)度計(jì)算外,為保證薄殼空間結(jié)構(gòu)可靠工作,外環(huán)梁在其自身平面內(nèi)應(yīng)具有足夠的剛度以約束殼板的變形。

覆土罐室薄殼外環(huán)梁可按彈性地基上的剛性環(huán)梁計(jì)算內(nèi)力,截面按偏心受拉構(gòu)件設(shè)計(jì)。因罐室外環(huán)梁外側(cè)的回填土可能分布不均或夯填不實(shí),故不考慮側(cè)向土體的抵抗作用。

外環(huán)梁在殼體邊緣水平推力、外環(huán)徑向力矩作用下產(chǎn)生軸向拉力和繞環(huán)梁截面水平中性軸的豎向彎矩,為拉彎構(gòu)件,由于豎向彎矩產(chǎn)生的偏心距通常很小,所以外環(huán)梁可近似為軸心受拉構(gòu)件計(jì)算。為控制外環(huán)梁拉應(yīng)變和裂縫開(kāi)展,要求由縱筋承擔(dān)截面內(nèi)全部拉力,而不計(jì)入混凝土的抗拉作用,規(guī)范JGJ22 -2012 因此規(guī)定外環(huán)梁的最大拉應(yīng)力不應(yīng)大于混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的8倍。另外,外環(huán)梁受拉縱筋不宜使用高強(qiáng)鋼筋,鋼筋接頭優(yōu)先選用機(jī)械連接。該工程按上述設(shè)計(jì)原則確定的截面尺寸為600mm×1250mm。

2.4 結(jié)構(gòu)無(wú)縫設(shè)計(jì)

該工程罐室環(huán)形外墻周長(zhǎng)109m,需考慮溫度應(yīng)力的影響。若采用后澆帶則需沿墻高豎向留設(shè),而外墻高約15m,二次澆筑時(shí)不易清理縫內(nèi)落渣,施工難度大,為確保工程質(zhì)量并縮短工期,本工程采用了超長(zhǎng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)縫設(shè)計(jì)[4]及施工方法: 沿外墻與外環(huán)梁均勻設(shè)置3 處2m 寬膨脹加強(qiáng)帶,加強(qiáng)帶范圍內(nèi)配置附加水平筋,施工時(shí)先澆帶外C30 低膨脹混凝土(膨脹率0.02% ～0.03%),澆至加強(qiáng)帶(2m 寬)時(shí)改換為C35 高膨脹混凝土(膨脹率0.04% ～0.05%),到另一側(cè)時(shí)又改為澆注低膨脹混凝土,如此循環(huán)澆注(圖4)。實(shí)踐證明,這種無(wú)縫設(shè)計(jì)方法效果良好。

圖4 超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)無(wú)縫設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)(單位： mm)Fig.4 Seamless design joints for super-long structure(unit: mm)

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)與分析研究

覆土油庫(kù)由于其結(jié)構(gòu)及使用對(duì)象的特殊性,相關(guān)研究較少,新時(shí)期大跨度覆土罐室設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)如下。

3.1 外墻設(shè)計(jì)與計(jì)算假定

傳統(tǒng)的罐室計(jì)算理論將墻體計(jì)算模型簡(jiǎn)化為下端簡(jiǎn)支或固端、頂端自由的圓柱殼。本工程中大跨度罐室采用全現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)方案后,若仍采用傳統(tǒng)計(jì)算模型,將不能體現(xiàn)現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)整體受力時(shí)各構(gòu)件間的協(xié)同作用,造成極大浪費(fèi)。另外,根據(jù)近幾十年的震害調(diào)查,地震時(shí)薄殼變形坍塌,或水平位移過(guò)大從外墻上脫落的現(xiàn)象比較多[5]。外墻與外環(huán)梁間若仍按滑動(dòng)面設(shè)計(jì),施工處理不當(dāng)也極易成為覆土后的滲漏環(huán)節(jié)。

基于以上因素,在大跨度覆土罐室設(shè)計(jì)中采用環(huán)形外墻與外環(huán)梁整體澆筑,按協(xié)同作用分析、設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)更為合理。

3.2 薄殼合理矢跨比f(wàn)/l 的確定

薄殼矢跨比f(wàn)/l直接影響結(jié)構(gòu)的受力狀況,f/l越大薄殼外邊緣傳遞的水平推力越小,對(duì)結(jié)構(gòu)受力有益。儲(chǔ)罐容量不超過(guò)5000m3時(shí)f/l推薦經(jīng)驗(yàn)值為1/4 ～1/6,但在大跨度覆土罐室工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)若沿用原經(jīng)驗(yàn)值,隨著跨度的增加,薄殼矢高值增加顯著。除與周邊地貌不協(xié)調(diào)外,薄殼施工過(guò)程中混凝土振搗時(shí)流動(dòng)嚴(yán)重,澆筑質(zhì)量不易保證; 后期薄殼覆土不穩(wěn)或雨后滑落的現(xiàn)象普遍。當(dāng)罐室外墻與薄殼邊緣構(gòu)件按協(xié)同受力、整體設(shè)計(jì)時(shí),能為薄殼外邊緣提供良好約束,保證薄殼的穩(wěn)定與空間性能,因此大跨度覆土罐室薄殼矢跨比f(wàn)/l取值應(yīng)兼顧以上因素,可比原經(jīng)驗(yàn)值略低。

3.3 結(jié)構(gòu)整體受力分析

罐室按整體澆筑設(shè)計(jì)后,外墻、外環(huán)梁與薄殼間的協(xié)同分析成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)?，F(xiàn)有簡(jiǎn)化算法中薄殼和外墻圓柱殼按獨(dú)立的構(gòu)件采用規(guī)范公式法計(jì)算,而外墻與薄殼通過(guò)邊緣構(gòu)件事實(shí)上整體連接,實(shí)際受力情況與規(guī)范公式的適用條件有一定出入,目前缺乏便于工程設(shè)計(jì)應(yīng)用的整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化算法,為更精確地分析罐室的受力性能,需進(jìn)行有限元整體分析作為校核補(bǔ)充。

本工程設(shè)計(jì)中采用SAP2000 程序?qū)奘医Y(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計(jì)算分析。計(jì)算荷載罐頂主要為覆土恒載、活載和雪荷載; 罐側(cè)主要為土壓力、水壓力、水平及豎向地震作用力、薄殼底面吊鉤荷載等。計(jì)算結(jié)果顯示(圖5 ～圖7),外墻與外環(huán)梁、薄殼整體連接時(shí)各部分相互約束共同作用,外墻上部與薄殼根部一定范圍內(nèi)分布漸變的環(huán)向拉力,該環(huán)向拉力值隨遠(yuǎn)離外環(huán)梁而漸減,外環(huán)梁拉力值較簡(jiǎn)化算法值減小,符合協(xié)同作用的特征。根據(jù)SAP2000 程序分析結(jié)果及各部分實(shí)際受力特點(diǎn),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)薄殼根部、外環(huán)梁及外墻上部的簡(jiǎn)化算法配筋與構(gòu)造進(jìn)行了調(diào)整,將外環(huán)梁內(nèi)的部分受拉縱筋依據(jù)環(huán)向拉力分布情況配置于外墻上部區(qū)域與薄殼根部,充分利用了這些區(qū)域原有的環(huán)向水平構(gòu)造筋,罐室結(jié)構(gòu)受力與配筋更趨一致的同時(shí)減少了配筋總量,同時(shí)對(duì)控制裂縫有利。

圖5 罐室變形云圖(單位： mm)Fig.5 Deformation ephogram for tank room (unit: mm)

圖6 罐室墻體及薄殼彎矩圖(單位： kN·m)Fig.6 Bending moment of the wall and thin shell(unit: kN·m)

4 結(jié)語(yǔ)

覆土立式油罐罐室多用于戰(zhàn)略儲(chǔ)備油庫(kù),目前尚無(wú)專(zhuān)門(mén)的國(guó)家設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn),行業(yè)內(nèi)對(duì)個(gè)別細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)仍有不同意見(jiàn)。本文介紹了覆土罐室的基本組成,針對(duì)新時(shí)期覆土立式油罐設(shè)計(jì)容量躍升至10000m3、罐室薄殼覆土荷載大等特點(diǎn),結(jié)合某儲(chǔ)備油庫(kù)凈跨34m 覆土罐室設(shè)計(jì)實(shí)例,具體分析了大跨度覆土立式油罐罐室的結(jié)構(gòu)選型、薄殼、外環(huán)梁及罐室的受力分析等設(shè)計(jì)難點(diǎn)與解決方法,得出以下主要結(jié)論:

1.大跨度覆土立式油罐罐室設(shè)計(jì)應(yīng)選擇合理的結(jié)構(gòu)型式,建議優(yōu)先選用現(xiàn)澆鋼筋混凝土整體罐室,其結(jié)構(gòu)整體性、抗震性能、防水效果和綜合造價(jià)均優(yōu)于傳統(tǒng)的砌體墻罐室。

2.大跨度罐室采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)方案時(shí),薄殼矢跨比建議選用1/7 ～1/8,以兼顧薄殼澆筑質(zhì)量及后期覆土效果。

3.采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)型式的大跨度覆土立式油罐罐室,應(yīng)進(jìn)行有限元整體計(jì)算,分析結(jié)構(gòu)各部分的協(xié)同受力,尤其應(yīng)重視薄殼、邊緣構(gòu)件及外墻連接處的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。薄殼外環(huán)梁的最大拉應(yīng)力不應(yīng)大于混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的8 倍,否則需施加預(yù)應(yīng)力。外環(huán)梁受拉縱筋不宜使用高強(qiáng)鋼筋。

4.覆土罐室現(xiàn)有的理論算法均未考慮地震作用,國(guó)內(nèi)外對(duì)覆土罐室的地震作用研究也非常少,有限元計(jì)算分析雖然考慮了地震作用組合,但大跨度覆土罐室的地震響應(yīng)缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證,這是一個(gè)值得深入研究的方向。