罐區樁基底板設計

在石油和化工設備中，通常有一個罐區。該區域安裝了垂直式鋼筒儲存、鋼球形儲存、垂直式鋼筒儲存和其他輔助設備（如泵、管道及其管道的支架）等。罐區一般不設置頂蓋,個別也有設置頂蓋的,均屬露天構筑物。儲罐內常儲存有易燃、易爆、有毒等物料,而且儲存量大,一旦儲罐底板傾斜過大或遭遇地震等原因導致儲罐不能正常使用甚至損壞時,就有可能引起次生災害造成人身傷亡和經濟損失,所以對罐區的設計要足夠重視。罐區建筑結構設計主要包括地基處理、底板厚度確定、承載力計算等等。在此筆者主要介紹確定罐區樁基底板厚度和承載力的近似設計方法,可供設計工作者參考應用。1罐區樁間距、底板厚度、承臺厚度確定鑒于罐區的重要性,在軟土地基上建造罐區,地基處理大都采用樁基,以提高豎向和側向的剛度,減小不均勻沉降。罐區的樁如何布置,底板(承臺)厚度怎樣確定,以往對這些問題基本上都是根據各自的經驗來確定,帶有一定的盲目性。一些條件類似的罐區,由于設計人員不同,樁間距的布置和底板厚度卻相差較大,無法保證安全適用、經濟合理。筆者試圖從以下幾個方面來考慮確定底板的厚度。1.1罐底板沉降差的確定罐區的局部作用荷載主要是指在罐底范圍內作用的儲罐荷重。當儲罐的位置在沉樁之前完全確定以后,在罐底范圍內可以多布置一些樁來承受儲罐的豎向荷重,而且罐底座范圍之外第一排樁間距與罐底座范圍內的樁間距相同。其它位置處視具體情況可適當加大樁間距。當沉樁之前儲罐的位置還未完全確定,或者其它荷重可能有較大的變動時,則往往整個罐區采用相同的樁間距來布樁。罐區布樁簡圖如圖1所示。樁間距和底板厚度直接影響到底板剛度和承載力。也就是說,樁間距越小,底板厚度越大,則底板剛度越大且承載力越高。對罐區底板來說,控制底板變形,主要是控制傾斜,對于樁基,即控制兩樁之間的沉降差與兩樁之間間距L的比值在允許范圍之內。罐區在局部荷載作用下,確定底板厚度有以下幾種狀況。1.儲罐底座范圍以內的樁承受儲罐大部分豎向荷載,各樁受力相同,所以認為各樁沉降也基本相同。假定底板沉降差如圖2所示。取罐區底板的板帶作為以樁為支座的五跨等跨連續梁來考慮,梁跨度和寬度(板帶寬度)均為L。C、D和E點的樁為底座范圍內的樁,B和F點的樁為底板范圍之外的第一排樁。圖中實線所示為沉降差曲線。在C、B點樁之間沉降差值Δ=1時,則C點樁頂部的反力系數為3.4736+4.1340=7.6076,C點樁承受的豎向反力R[JX*2]Δ[JX-*2]C=7.6076E[JX-*2]CΙL3R[JX*2]Δ[JX?*2]C=7.6076E[JX?*2]CIL3。在C、B點樁之間發生允許沉降差值為[Δ]時,則C點樁承受的豎向反力R[JX*2][Δ][JX-*2]C=7.6076E[JX-*2]CΙL3?[Δ]R[JX*2][Δ][JX?*2]C=7.6076E[JX?*2]CIL3?[Δ]。其中:EC為混凝土彈性模量;I為底板截面慣性矩,I=Lh3/12;h為底板厚度。設[Δ]/L=μ,把μ、EC、I代入上式得h3:在B點樁的頂部反力系數為5.3683+1.0335=6.4018,B點樁承受的豎向反力R[JX*2]Δ[JX-*2]B=6.4018E[JX-*2]CΙL3R[JX*2]Δ[JX?*2]B=6.4018E[JX?*2]CIL3,則RB=6.4018?E[JX-*2]CΙL3[Δ]?RB/R[JX-*2]C=6.4018/7.6074=0.84。如果以B點樁承受的豎向反力來計算底板厚度h,也得到公式(1)。RB為儲罐底座范圍以外第一排樁承受的豎向反力。從以上計算的結果可以得出,當儲罐底座以外的第一排樁與底座以內樁之間的沉降差在允許范圍以內時,儲罐的豎向總荷載可以考慮由底座范圍內的樁和范圍以外的第一排樁共同承擔。且范圍之外第一排樁承受的豎向力是范圍以內樁承受豎向力的84%。在E點樁的頂部反力系數為9.8755-5.3683=4.5072,參照式(1),得:2.假定底板沉降差如圖3所示,A點至E點的樁為儲罐底座范圍以內的樁。E點樁頂部反力系數為9.8755-5.3683-1.0335+0.1723=3.646,得:3.罐底座范圍以外底板厚度的確定方法(1)端跨:底板沉降差如圖4所示。在B點樁頂部反力系數為9.8755,得:(2)中間跨:底板沉降差如圖5所示。在C點樁頂部反力系數為14.0095,得:從式(1)至式(5)可以看出,按照式(3)(圖3)計算出的底板厚度最大,但是按照式(2)和式(3)確定底板厚度的情況很少,也就是說在儲罐底座范圍之外僅布置一排樁是不多見的(如圖2和圖3所示右邊)。大多數的情況是按式(1)確定底板厚度。當罐區僅布置多個小型儲罐和其設備時,按式(4)確定底板厚度即可。當底板的混凝土強度等級、樁間距、樁頂作用的豎向力和樁之間允許沉降傾斜μ確定后,按上述公式很容易確定出底板最小厚度hmin。關于μ,可根據具體情況取值,例如可參照文獻或其它文獻的規定來取值,或者根據業主的要求來取值,但不能低于國家有關規定的標準。1.2受樁沖切承載力的計算沖切計算包括底板基樁沖切承載力和儲罐底座沖切承載力計算。底板基樁沖切承載力計算可參照文獻關于受基樁沖切承載力的計算公式(5.9.8-8)來計算。ho取h-100,在實際工程中,樁嵌入承臺的長度多為100mm。儲罐底座沖切計算:可參照文獻受樁沖切承載力的公式(5.9.7-1)表示為:式中:Ni為扣除底板和混凝土底座自重,作用在底座范圍之外第一排單樁上相應于荷載效應基本組合的設計值;βhp和βo見文獻的說明;Ash為儲罐混凝土底座受沖切破壞錐體的斜截面面積,計算示意見圖6。1.3儲罐和其它設備作用下的底板作用樁承受著底板及作用在其上的荷載,樁頂嵌入底板內的長度a按規范確定,一般a=50～100mm,樁頂縱向鋼筋伸入底板內30～35倍鋼筋直徑的長度,所以樁也是底板水平向的支撐點,底板在水平面方向是穩定的。儲罐和其它設備在地震和風荷載作用下的總水平力,可以認為由所有的樁共同承擔,且每個樁所承受的水平力相同,而且都同時達到水平承載力特征值。例如總水平力的方向向左,B—B剖面(見圖1)以左底板在樁的水平力作用下受壓,在B—B剖面以右受拉。底板作用力簡圖如圖7所示。在B—B剖面處,底板以左截面受力按壓彎構件計算,以右按拉彎構件計算。圖中:N為在單樁頂作用的水平力;M為單樁頂部對底板作用的彎矩,M=eN,e為單樁頂處水平力作用點至底板截面中心的距離,如圖8所示,e=h2-a2。底板厚度在滿足傾斜和沖切要求的前提下,底板一般不必進行穩定性驗算。1.4支護結構水平受拉彎力計算底板在豎向荷載作用下的效應可按無梁樓蓋的計算方法進行,在此不重述。必要時要考慮底板在水平荷載作用下的效應,計算簡圖如圖7所示。計算在水平力作用中心線以左A-A剖面(見圖1)水平力作用的效應時,作用彎矩為M,總壓力為A-A剖面以左所有樁頂水平力N的總和,按壓彎構件計算。同樣,計算水平力作用中心線以右某一剖面的水平力作用效應時,作用彎矩為M,總拉力為剖面以右所有樁頂水平力N的總和,按拉彎構件計算。截面總的承載力為豎向承載力和水平承載力之和。在多數實際工程中,整個罐區的底板取同一個厚度,但是,儲罐混凝土底座高出底板200mm或200mm以上。底板的配筋一般按構造配置,底板上下各配置規格和間距相同的雙層鋼筋網,而且要滿足受彎構件的最小配筋百分率。2儲罐、地基承載物某工程罐區平面尺寸為26000mm×47000mm,罐區內主要布置兩個儲罐,儲罐混凝土底座直徑14700mm,儲罐高度12.000m,每個儲罐溶液重20000kN。除此之外布置數臺泵、管架等。地基為沖填土、淤泥、淤泥質土高壓縮性土層構成的軟弱地基。因此地基處理采用鉆孔灌注樁,樁直徑600mm,長度29.000m,單樁豎向承載力特征值900kN。外商要求底板傾斜不大于0.001。2.1罐底豎向荷載由于儲罐位置有可能變動等原因,采用樁距3.0m×3.0m的網格來布樁,布置見圖9。儲罐底座范圍內為21根樁,底座范圍之外第一排樁為16根樁。每個儲罐的豎向荷載由21+16=37根樁共同承擔,對該工程而言,范圍之外的第一排每根樁承受的豎向荷載近似取范圍之內每根樁承受豎向荷載的80%。儲罐混凝土底座重:π4×14.72×0.4×25=1697.17kN。暫假定底板厚度0.500m,罐底座范圍內每根樁承受的豎向荷載為:=765.079kN<900kN(未考慮復合樁基效應)。罐底座范圍之外第一排每根樁承受的豎向荷載為765.079×0.8=612.063kN。2.2確定地板厚度1.計算h35.0.0.4.3底板混凝土強度等級為C35,EC=0.315×108kN/m2,按式(1)計算h3:h3=1.577×765.079×3.0/0.315×108×0.001=0.1149m3,h=0.486m,取h=0.500m。2.儲罐眼底沖切承載力對該工程而言,罐底座的厚度實際上為500+400=900mm,基樁沖切承載力比較大,所以僅計算罐底座范圍之外第一排基樁的承載力即可。bp=0.8×600mm,h0=400mm,βhp=1.0,ft=1.57N/mm2,代入文獻式(5.9.8-8):2.8(0.8×600+400)1.57×400=1547.392kNΝ1=20000+1697.1721+0.8×16×0.8×1.2=616.251kN<1547.392kN(可)儲罐底座沖切計算:βhp=1.0,λ>1.0取λ=1.0?βo=0.841.2=0.7。參見圖6,r=14700/2=7350mm,R=7350+400=7750mm。按照式(7)Ash=π√(7750-7350)2+4002(7750+7350)=26835076mm2。按照式(6),1.0×0.7×1.57×26835076×0.707=20850.666kN,16∑i=1616.251×16=9860kN<2085