特种基础：储罐基础.ppt

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1、第四章：储罐基础的设计,一、概述 大部分储罐是用于储存诸如油、水或其他液体材料，储罐常做成立式圆筒形构造，自重比较小，属于柔性结构，储罐的主体结构基本上都具有圆形平底板，储罐的荷载面基本上是水平的，一般可以看成均布荷载，且具有较大的柔性，由于储罐的存量经常变动，荷载压力是变化的。,储罐的形式,二、储罐基础设计的原则及基本要求 储罐基础设计应满足地基稳定与变形要求，即不被压坏，地基的不均匀沉降不超过允许值。 1、不均匀沉降允许值 对于地基的不均匀沉降，虽然储罐具有一定的柔性可以适应一定的不均匀沉降，但过大的不均匀沉降会造成储罐使用的安全性下降，一般在设计过程中要规定安全使用的允许不均匀沉降量。

2、通常规定，沿罐壁圆周方向每10m周长的相对不均匀沉降不大于壁板发生扭曲的控制值。罐底由不均匀沉降引起的变形，必须小于底板所允许的控制值。 2、设计的基本要求 (1) 建造完成的基础锥面坡度对于一般地基为15/1000；对,于软弱地基一般不应大于35/1000。地基基础沉降基本稳定后，表面坡度不应小于8/1000。 (2) 地基基础沉降基本稳定后，罐底边缘应高出周围地面不小于300mm，在地面以上，应从基础砂垫层中引出穿越基础环墙（梁）或护坡表层的罐底泄漏检测管，其周向间距不宜大于20m，每台储罐最少4个。 (3) 沿储罐圆周方向上每10m长度的沉降差不大于25mm，对于浮顶罐任意直径方向的沉降

3、差不大于4D/10007D/1000（D为储罐内径）；对于拱顶罐，不大于8D/100015D/1000。 (4) 基础中心坐标偏差应不大于20mm，中心标高偏差不大于10mm。 (5) 支承罐壁的基础顶面，在有环梁（墙）时，沿圆周方向每10m长度内各点的高差不大于6mm，整个圆周上任意,两点的高差不大于10mm，无环梁（墙）时，沿圆周方向每3m长度内各点高差不大于5mm，整个圆周上任意两点的高差不大于20mm。 (6) 为减小储罐底板的腐蚀，基础表面应设置防潮层。 三、储罐基础的类型及适用性 1、储罐基础的类型 根据储罐容量、储罐形式、地形地貌、工程地质条件、场地条件、施工条件等因素，储罐通常

4、可以分为以下几种形式。 (1) 护坡式基础 包括混凝土护坡、砌石护坡和碎石灌浆护坡等。一般当场地足够，地基承载力允许，地基沉降量较小时，可采用护坡式基础。（见下图）,(2) 环墙式基础 包括砌砖环墙式、砌石环墙式、碎石环墙式、混凝土或钢筋混凝土环墙式等。在场地受限制，软土地基、浮顶储罐等情况下应选用环墙式基础。,(3) 外环墙式基础 即是将储罐直接建在砂垫层上，并在砂垫层基础外侧设置钢筋混凝土环墙。,外环墙式基础,外环墙式基础,四、储罐基础的破坏模式 储罐的破坏主要有以下几种模式： 1、罐底脆性破坏：罐底变形引起焊缝开裂，造成罐底脆性破坏； 2、地震破坏：地震荷载引起； 3、罐底基础破坏：由于

5、罐底泄漏等原因造成地基下沉，地基承载力下降造成基础基础发生破坏。 五、储罐基础类型的选择 储罐基础的选型主要考虑储罐类型、容量、工艺要求、地形地貌、地质条件和施工条件等因素。下表列出不同类型储罐基础的选型要求。,六、储罐基础的构造 储罐基础的构造主要包括基础顶面的绝缘防腐层、罐壁支撑、边缘挡土结构、砂垫层、隔油防水层、检测信号管及其他构造。 1、基础顶面绝缘防腐层 基础顶面铺筑的沥青砂垫层或沥青混凝土垫层，主要作用是隔断地下毛细水、水汽等，保护底板。 沥青砂垫层一般采用中粗砂（质量比1:9），热拌合施工，厚度80mm100mm。沥青混凝土宜用细粒或中粒，具体可以参照甲级路面的要求施工。 2、罐

6、壁支撑 罐壁支撑结构主要由钢筋混凝土环梁或碎石环梁等构成，,罐壁支撑结构的主要作用是作为罐壁及其下环板的安装支座，调整地基的不均匀沉降。 钢筋混凝土环梁厚度一般不小于300mm，混凝土强度等级不低于C20，环向受拉主筋配筋率不小于1%，级钢筋直径不小于18，箍筋间距不大于300mm，直径不小于8mm。 碎石环梁顶面宽度不宜小于3m，其中罐内2m，罐外1m左右，碎石环梁用碎（卵）石加中粗砂分层铺筑，每层虚铺厚度不大于30cm，碎石粒径不宜大于40mm。 3、边缘挡土结构 对于主要由散粒材料构筑成的柔性基础，需要设置基础边缘挡土结构，通常由钢筋混凝土环梁等构成或护坡构成。,4、砂石垫层 砂石垫层的

7、主要作用是将上部荷载通过垫层分散传递给地基，最上层的砂垫层一般不小于30cm，灰土及素土垫层按常规的压实系数控制。 5、隔油及防水层 主要针对怕油水浸泡的地基，如湿陷性地基、膨胀土地基、透水性较大的地基等，该层常用灰土、粘土、沥青砂或沥青混凝土铺筑在漏油信号管下部1020cm，灰土或粘土层的厚度一般不小于30cm，沥青砂或沥青混凝土厚度不小于10cm。 6、漏油信号管及其他 漏油信号管沿环向每隔1015m埋置在钢筋混凝土环梁中，主要检测漏油情况。其余还包括散水、护坡、沉降观测点等。,七、储罐基础的设计计算 1、环墙基础的受力分析 作用在环基的荷载主要有以下几种： (1) 环基顶面储罐壁荷载P1

8、及储罐边缘处的分布荷载q1，分布宽度为C。分布宽度C通常取罐内壁至环基放脚内侧边缘间的距离。 (2) 环基内侧储液荷载q1及砂垫层自重产生的侧向压力q2。,环基的受力体系,(3) 环基内壁砂垫层的竖向摩擦力 主要是由于地基沉降引起的，作用方向向下。 (4) 环基底面地基反力（q3）,环基单元体,2、刚体假定 为便于分析，一般将环基分解为单元体进行分析（取单位弧长），将每个单元体假定为刚体，即不考虑单元体本身的变形，只发生整体变形，作用在其上的分布荷载可以用相应的等代集中荷载代替。另外，由于环基结构及荷载的对称性，认为只有法向力，没有切向力。根据以上原理，将环基上的分布荷载按以下模式转换为等代荷

9、载。,环基单元体等代荷载,环基单元体等代荷载,环基单元体受力分析图,最终，通过处理可以将原来受力比较复杂环基单元简化为受几个集中力和集中力矩作用的单元体，在此基础上通过静力分析计算环基单元的内力及进行相关的配筋计算。,3、环基内力分析 进行环基的内力分析时，先考察环基在受荷载作用时的变形情况，在不同的荷载条件或阶段，环基单元的变形情况可用下图表示：,环基单元体受力分析图,1) 环基在未加载预压以前，环基单元处于图中(a)状态； 2) 充水预压后荷载增大，环基出现下沉（），环基内侧压力增大，环基出现向外移动的趋势，环基的周长及半径相应增大（），在环基单元的变形中，环基下部半径的增大比上部大，结果

10、环基单元实际上发生了角度为的转动。(b),假定在最大荷载下环基单元处于上图中(b)的状态，则环基有下沉变形S、半径增量r、转角三个变形量。 在环基单元由状态 (a) 进入过渡状态 ，环基单元的变形只有沉降量 S，对环基整体而言只是整个圆环的刚体平行下移，理论上不引起环基截面内力，即： T=0（法向力）；Mx=0（力矩） 环基由(a)状态进入过渡状态，是竖向外力作用的结果，产生这种位移效应的外力平衡条件为： P3=P1+P4 由过渡状态进入到过渡状态，环基半径产生径向增量r、使环基沿周长方向有拉伸变形，环基内力产生环拉力，这个环拉力是由环基内侧砂垫层产生的侧向压力P2引起的。,按下图取半圆为脱离

11、体，可以得到： T=P2r（法向力）；Mx=0（力矩）,环基在受径向均匀外力作用下的平衡条件,当由过渡状态到达最终状态，环基截面出现转动，环基顶面半径减小，而下部半径增大，导致环基内的环向拉力顶底部分布不均匀，底部环向拉力大于顶部，由于此时环基的平均半径未发生变化，总的环向拉力保持不变，只是影响环向拉力沿截面的分布。另外，由于整个环基的各单元都存在同一方向的转动，说明沿环基圆周上存在一个均匀分布的外力矩M0，这个均布的外力矩就是M01、M02、M03、M04的总和，即： M0= M01+ M02+M03+M04 圆环受径向均布外力矩M0作用下的截面内力，同样可以取半圆作为脱离体，根据静力平衡条

12、件求出（见下图）： T=0（法向力）；Mx=M0r（力矩）,环基在受径向均匀外力矩作用下的平衡条件,根据以上分析，引起环基内力的是状态和状态，状态产生环拉力，状态改变了环拉力的分布。由此可以得到环基的总拉力 T 和截面总内力 Mx 的计算公式，然后将两种情况进行叠加，按偏心受拉构件进行配筋计算。 T=T+T+T = T=P2r Mx=Mx+Mx+Mx= Mx= M0r 4、按规范法进行环基设计（石油化工钢储罐地基与基础设计规范） 对于常用的钢筋混凝土环基，可以参照上述规范进行设计计算。 (1) 环墙宽度 当罐壁位于环墙顶面时，环墙式基础等环墙宽度可以按下式计算：,环基各部构造及尺寸,式中，b：

13、环墙宽度 g：罐壁底端传给环墙顶端的线分布荷载标准值 ：罐壁伸入环墙顶面宽度系数，一般取0.30.6，多取0.5 L：罐内使用阶段储存介质的容重 hL：环墙顶面至罐内最高储液面高度 c：环墙的容重 m：环墙内填料的平均容重 h：环墙高度 (2) 环墙上作用效应 环墙作用效应根据填料及地基情况进行计算。环墙可仅计算环向力。, 当罐壁位于环墙顶面时，环墙环向力按下式计算 式中，Ft：环墙单位高度环拉力设计值 k：环墙侧压力系数，软土地基可取k=0.5或按1-sin计算 Qw、Qm：分别为水、填料的分项系数， Qw可取1.1， Qm可取1.0 w、m：分别为水的容重，环梁填料的平均容重，w取9.80

14、，m取18.00kN/m3计算。 hw：环墙顶面至罐内最高储液面高度 hx：环墙顶面至计算断面的高度 R：环墙中心线半径 当罐壁位于环墙内侧一定距离（外环墙式），环墙环拉力可按下式计算：,在45扩散角以上部分，可按下式计算： 当b1H时， 式中，Ft0：环墙单位高环拉力设计值； ：罐体自重分项系数，可取1.2； b1：外环墙内侧至罐壁内侧距离； Rt：储罐底圈内半径； Rh：外环墙内侧半径； H：罐底至外环墙底高度； R：外环墙中心线半径。,外环墙各部构造及尺寸,(3) 环墙截面配筋 环墙单位高环拉力钢筋面积按下式计算： 式中，At：环墙环向单位高所需钢筋面积； r0：重要性系数，取1.0；

15、Ft：环向单位高环拉力设计值； fy：钢筋抗拉强度设计值。 工程实践证明，用上述方法设计环基，尽管计算中没有考虑地基差异沉降引起的环基内力，但实际上环基具有较大的抵抗和调整地基局部不均匀沉降的能力，环基作为整体在抵抗环基内侧压力的能力始终能够保持，环基事实上具有比较大的安全储备。,5、 储罐地基稳定性分析 (1) 地基承载力计算 对于基础埋置深度D=0的储罐基础，地基极限承载力可按下式计算： 式中，Nc：承载力系数，与土的内摩擦角有关； B、L：基础底面的长宽； cu：地基土不排水剪强度，可采用基底下2/3B深度范围内土的平均值。 对于柔性荷载底面有可能发生整个底宽的破坏，也可能发生局部底宽破

16、坏。在确定地基极限承载力时，应考虑最不利情况，试算不同底宽的极限承载力，其中最小的一个就是最危险的情况。,储罐基础地基承载力计算模式,对应于整个底宽的破坏，B/L=1，对于局部底宽破坏，此时基础底面类似于一个弓形（上图中b），在计算(1+0.2B/L)时，其中的B/L可以用B/L代替，当改变计算宽度，使B/L=10时，(1+0.2B/L)=1.21，若承载力系数Nc取5.14，则Nc(1+0.2B/L)=6.175.14，计算时可以直接查上图中(c)或(d)中的直线，比较简便。 储罐基础常用以下简化公式计算地基极限承载力： 计算结果见下表。根据下表所示的计算结果，可知储罐地基极限承载力p随B的

17、减小而减小，在B达到某值时地基承载力最低。此时，对应的安全程度也最低。,储罐基础地基承载力计算结果,(2) 地基稳定性分析 储罐基础地基稳定性分析常用圆弧滑动法进行计算。假定滑动面及滑动中心，通过试算的方法确定地基稳定安全系数。,储罐基础地基的稳定性分析,根据圆弧滑动法的概念，储罐地基的稳定安全系数可用下式定义： 由于圆弧滑动法分析的是平面问题，而储罐的破坏属于空间问题，按上式计算的安全系数应乘以底面形状因素(1+0.2B/L)，得到储罐地基的抗滑稳定安全系数： 抗滑力矩的计算 砂垫层抗滑力矩的计算图式见下图，在滑弧上取宽度为dx的截条，截条底部弧段上土的抗滑力矩为：,砂垫层抗滑力矩计算图式,

18、上式中，根据几何关系可得： 此截条的抗滑力矩为：,积分上式：,对于砂垫层下面存在的硬壳层内的抗滑力矩，可按下式计算，设该硬壳层的平均抗剪强度为c2，则：,硬壳层,硬壳层以下的土层的抗滑力矩的计算，考虑到地基土抗剪强度cu分布的不均匀，将硬壳层下的土层分为几个区域（见前图），各分区地基土抗剪强度随深度的变化按下式计算： 令： 则： 同理，可以确定其他各分区的抗滑力矩M抗、 M抗、 M抗等。 滑动力矩的计算 由储罐荷载p所产生的滑动力矩M1滑按下式计算：,由砂垫层荷载h1引起的滑动力矩M2滑可用下式计算：,滑动力矩计算图, 抗滑稳定安全系数： 考虑基础底面形状因素，稳定安全系数为：,6、 储罐基础

19、沉降量计算 (1) 地基应力计算 储罐基础一般为圆形，通常，可以用圆形均布荷载作用下地基附加应力计算的方法计算地基应力分布，根据Boussinesq积分解，可以得到圆形均布荷载中心下z处的竖向附加应力计算公式为：,式中，a：圆形区域半径，I：应力系数，对应于不同的a/z，应力系数I的值见下表。,储罐地基附加应力分布,(2) 地基变形计算 储罐地基变形特征值 储罐地基的变形特征值包括储罐基础沉降量、罐基整体倾斜、罐基周边不均匀沉降、罐基中心及罐周边沉降。 储罐地基沉降计算 当储罐基础具有以下情况之一时，应进行沉降计算： 1) 天然地基承载力不满足； 2) 有软弱下卧层； 3) 附近存在相邻罐基；

20、 4) 罐基下有厚薄不均的地基土层； 5) 有特殊要求的储罐基础。,按分层总和法计算地基最终沉降量 式中相应参数的定义见土力学。,沉降计算深度zn可按以下方法确定： Sn：从假定计算深度向上取厚度为z的土层计算沉降量， z的取值按下表确定。,z的取值,按经验公式计算地基最终沉降量 在上海地区天然地基储罐基础最终沉降量可按下式计算： 式中，s：沉降计算经验系数，p040kPa时，取0.7，p0=60kPa时，取1.0，p0=80kPa时，取1.2，p0100kPa时，取1.3，其余用插值确定。 Di：储罐底圈内直径； p0：对应于荷载标准值时的基础底面处的附加压力； Es,1-2：地基土在100

21、200kPa压力作用时的压缩模量 ：沉降系数，查相关标准确定（石油化工钢储罐地基与基础设计规范）,沉降计算深度按下式确定： (3) 地基变形允许值 平面倾斜,储罐平面倾斜的定义见右图，根据工程实践，平面倾斜允许值的确定可以参见下表所示数值确定。,储罐基础变形允许值, 非平面倾斜（罐周边不均匀沉降） 罐周发生不均匀沉降将会引起罐壁的扭曲并引起次应力，罐周边不均匀沉降可按下式进行控制： 式中，S：罐周任意相邻两点沉降差；L：罐周两点之间弧线长度。,实测罐周沉降曲线,根据工程经验，建议采用max=2.510-3作为浮顶罐的容许值。 工程上为了避免储罐底板因变形过大发生屈服断裂，通常以罐中心沉降（S中）与罐周边沉降（S边）之差和罐半径的比值来确定储罐底板容许变形值，可按下式计算： 根据计算与实测，储罐基础的最大沉降不是在罐中心，而是在距离罐基中心R/4左右。 罐中心与罐周边沉降差（罐基础锥面坡度） 储罐基础是柔性基础，往往中间的沉降大于罐周的沉降变形，为便于向罐周边排出储液，需要预估罐底沉降的锥面坡度，以便于采用预抬高的方法补偿预估沉降。下图为储罐充水前后的罐底变形与罐基沉降发生情况。,储罐基础的罐底沉降变形,