低温储罐基础设计及探讨

摘要：本文总结了低温储罐基础的几个特点及其荷载分布的特点，列举了基础的荷载情况，摘录了国内外标准的有关条款和规定。

关键词：低温 储罐 基础 荷载

中图分类号：S611文献标识码： A 文章编号：

近几年来我们在设计中经常遇到低温介质（主要有液态乙烯、丙烯、液氧、液氮、液氩等）的储罐设计问题，与普通立式储罐最大的不同在于它的低温并有因储存液体汽化而形成的内压的特点。罐内的温度可达-165℃，罐体可分为单壁和双壁两种形式。由于双壁全包容罐（外壁为预应力混凝土）基础大多为国外工程公司和罐体、罐壁一起设计，本文主要探讨有关单壁低温储罐基础的有关问题。

基础选型

目前我们石化行业的相关规范中还没有针对此类储罐的相关设计规范，就我们结构专业而言，现行的《石油化工企业钢储罐地基与基础设计规范》(SH3068-95)总则1.0.1条中已明确写道:“本规范不适用于储存低温、剧毒、酸、碱腐蚀介质和介质自重大于10kN/m3及架高储罐的地基与基础的设计”，这就给我们带来了新的问题--如何设计这类基础！

尽管此类基础上一般设有泡沫玻璃砖保温层，但由于考虑泄漏等事故状态的原因，基础还需考虑受冻的可能性，因此采取必要的防冻措施。一般来说，普通的储罐基础不需要设计地脚螺栓，但对于低温储罐，由于其内部介质均为低温介质，无论采取何种保冷措施，都会有冷量损失，介质温度升高，其内部压力必然增大。为了避免罐内压造成的储罐边缘“上举”，所以低温储罐基础边缘都设置锚栓。考虑到罐壁和罐底由于温度变化而会产生位移，不能简单的采用直锚栓锚固，一般采用如右图所示的扁钢锚固带，既简单又能适应罐体变形要求（a值为预留罐壁位移量）。可见这种低温储罐基础的设计要比常规储罐复杂一些。

在美国石油协会标准《大型低压焊接储罐设计与施工（API620）》附录R中对这种低温储罐的基础设计给出了一些建设性意见；英国标准化协会标准《低温用平底、立式、圆柱形储罐.预应力钢筋混凝土罐基础的设计和制造及罐内衬和罐涂层的设计和安装推荐方法》（BS7777-3：1993）中也给出了低温罐基础的类型：环梁基础、筏板基础、桩筏基础、高承台基础。设计人员可根据地质状况、承载力、沉降等方面来选择基础形式。当天然地基承载力及沉降均满足要求，可采用环墙基础或筏板基础；浅层无较好的持力层，不能满足设计要求时，则采用桩筏基础及高承台基础，如采用环梁及筏板基础，位于罐底的混凝土筏板或者地基土必然受到冻害，为防止这种现象，就必须采取电加热方式，将温度传感器及辅助加热系统埋在混凝土中或砂垫层中，依靠通电加热，防止冻害。但在实际设计中，考虑到这种储罐基础的重要性和危险性，以及采用电加热需要日常的操作维护，工程费用较高等原因，国内已完成低温储罐基础均采用架空基础。此时地面和储罐基础底板之间形成空气隔层，维持基础底面与外界温度一致，保持良好通风，利用空气流动使基础底面与顶面温度梯度尽量大，从而保证基础内部的温度与常温接近，确保基础在低温介质作用下长期正常工作。架空底板与地面之间的高度， BS7777-3：1993中要求净空至少1500mm，以便检查和维修。但有的基础由于工艺流程的要求，此高度达到了4200mm。

采用架空基础后，随之而来的就是支撑柱（桩）及顶板的设计，根据国内已建成的低温罐及近几年本人设计的一些工程实例，这种架空基础大致可分为三类：高桩承台；柱+无梁楼盖；框架结构。首先，高桩承台设计时将桩顶标高设计为锚入顶板的高度，桩身露出地面较长，应按《建筑桩基设计规范》JGJ94-2008中第5.2节、第5.8节以及附录C的的有关规定考虑压曲的影响，按大偏心受压计算，对桩身承载力进行复核。其结果比按正常设计的桩配筋大许多，因此此部分桩身应与普通桩区别设计。而顶板则按无梁楼盖设计。但此种基础类型也有其局限性，当桩承载力较低时，由于布桩间距较小，就会给施工带来困难，桩机移动不便，很容易将已完工的桩身破坏。此时柱+无梁楼盖结构可解决此问题，但这前两种基础形式其实都是板柱结构，由于上部荷载较大，基础可能受到较大侧向外力（水平地震力）一般情况需要增设剪力墙或其他抗侧向力构件,以限制结构的水平位移，增强抗地震、抗风的能力，在柱顶或桩顶设置柱帽或桩帽以提高节点刚度。但对于此类低温罐基础，顶板下部要求通畅，保持空气流通，因此对墙体布置带来了难度。

在最近的一些过程中，我们对以上两种基础类型进行了改进，将其设计为框架结构（如上图所示），在柱之间设框架梁，这样主要顶板的受力构件就变成了梁，顶板厚也可以相应变薄，板变薄后也更有利于冷量的迅速传递，也增强了结构的抗震性能。由于罐主要荷载都集中在内罐，我们布置梁柱时均将外圈柱布置在内罐壁下方，外侧采用悬臂梁板支撑外罐壁及内外罐壁间的保温材料，这样布置受力比较明确。罐容积较小时（5000m3以下）柱可按环形布置，罐容积较大时可按柱方格网状布置（如下图所示）。但需注意的的是，由于低温储罐设有锚固带，而其锚固带形式多为锚板式。因储罐荷载较大，梁配筋率较大，在梁柱节点处梁柱钢筋交错，钢筋较密，锚固带很难放置，因此我们在布置外环柱子时要注意尽量避开锚固带的位置。地下部分则可根据地质情况设计为柱下桩承台+基础拉梁或桩筏基础。由于低温介质位于内罐中，而内罐底部砌筑有泡沫玻璃砖隔冷，罐基础不会直接受冻，因此设计时不再要求基础混凝土的抗冻等级。

荷载及荷载组合

低温储罐的荷载也与一般储罐有所不同，《石油化工企业钢储罐地基与基础设计规范》(SH3068-95)中对地震作用无明确规定，而在《石油化工构筑物抗震设计规范》SH/T 3147-2004中第6.2.1条中规定： 6度时的构筑物；7度、8度和9度时，地基静承载力标准值分别大于80、100、120kPa且高度不超过25m(含支撑设备的高度)的构筑物（包括储罐）可不进行地基和基础的抗震承载力验算。低温储罐如采用天然地基上的环梁或筏板基础在满足上述规定的前提下，就没有必要进行地震验算。如果采用桩基，就必须按第6.5节的要求进行判定是否需要验算抗震。而对于架空基础就必须要进行地震验算了。

储罐本体的抗震验算是按中震进行计算的，与结构专业设计时只验算小震是不同的。在API620附录L中第L.8.4条中规定“除非另有要求，由于地震可能产生滑动的储罐可以用0.4倍的滑动摩擦系数乘以作用在储罐底部的力。”这就是说储罐本体的水平地震力可以乘以0.4的折减系数后，再作用到储罐基础上进行验算。由于设计条件中的地震附加力矩仅作用到罐体底部，因此设计储罐基础时还要考虑地震时由罐内液体横向移动而产生的附加弯矩及由此产生对柱或桩的附加竖向力。

为了检验罐体焊缝质量，检查罐体密闭性，水压试验是储罐设计及施工中必不可少的环节，但由于试水时间短及作用的间断性，属于短暂工况，在API620附录R第R.10.3条中规定“水压试验过程中，基础上的总荷载不能大于地基承载力允许值的125%”，按此可以将试水总荷载乘以0.8的折减系数，考虑到这种罐的重要性，建议水压试验荷载分项系数取1.1，小于恒载的分项系数1.2.

在确定了地震及水压试验荷载后，就可按表一的荷载进行基础计算。对于这种储罐，一般考虑验算正常工作(满罐)、水压试验(满罐)、安装建造(空罐)三种工况。除上述水压试验荷载分项系数取1.1外，其他荷载的的分项系数可按国内相关规范标准取值。

沉降要求

对于大型储罐基础的设计，控制沉降是很重要的一个问题，也是确定基础形式、选择桩端持力层即桩长的重要因素。从工艺配管角度来看，基础沉降越小越好，但从结构专业而言，基础的沉降是很难避免的，所以确定一个合理的基础沉降限值是很必要的，在BS7777-3：1993中规定：“储罐的允许沉降限值是储罐的最大变形限量，储罐基础设计者与储罐设计者应就最大整体沉降和不均匀沉降的限制达成一致”，由此可见不仅结构专业控制地基变形，工艺配管、设备等专业也要采取必要措施来适应和减轻由地基变形而带来的问题，如管口采用柔性连接等。计算沉降时荷载取标准值，不考虑风荷载与地震作用下引起的附加压力。在此规范中还给出了不均匀沉降的限制供参考。

表二 不均匀沉降限值

沉降类型 不均匀沉降限值

储罐倾斜 1：500

储罐底板从储罐边缘至中心沿径向的沉降 1：300

沿储罐周边沉降 1：500，不超过储罐倾斜计算出的最大

沉降量

从国内的储罐规范可以看出，均未规定沉降量的绝对值，给出的都是沉降差/比等相对值，所以控制不均匀沉降就成了设计的重点。我们在设计中考虑到此类基础重要性，均采用了桩筏基础，布桩时内密外松，桩基持力层均为较好的土层或岩层，尽量避免不均匀沉降。

4结语

通过工程实例的设计，低温储罐的基础设计在基础选型及布置上应结合地质条件及工艺条件，以及其受力特点作出合理的选择。计算中应注意地震力带来的附加荷载的计算，这也是其与普通储罐受力的不同点。可以看出，此类基础的设计不同于普通立式储罐，有其自身的一些特点，设计时应慎重对待。

参考文献

1 美国石油协会标准《大型低压焊接储罐设计与施工》（API620-2002）

2 《石油化工构筑物抗震设计规范》（SH/T 3147-2004）

3 英国标准化协会标准《低温用平底、立式、圆柱形储罐.预应力钢筋混凝土罐基础的设计和制造及罐内衬和罐涂层的设计和安装推荐方法》（BS 7777-3:1993）