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储罐地基变形沉降计算

作者:镇田机械 时间:2019-05-08 01:38
储罐地基变形沉降计算 1.储罐地基变形规律与特点 钢储罐按结构特点可分为四种,即圆锥顶式、圆拱顶式(其容量最大已经达60000m2)、浮顶式(占大多数)和内浮顶式。其特点是荷载大,面积 信息摘要:

储罐地基变形沉降计算

1.储罐地基变形规律与特点

钢储罐按结构特点可分为四种,即圆锥顶式、圆拱顶式(其容量最大已经达60000m2)、浮顶式(占大多数)和内浮顶式。其特点是荷载大,面积大,采用柔性薄板结构,而且由于工业布局上的原因又常常建造在沿海软土地区,国内外通常采用充水预压法加固地基,为了防止地基的侧向变形和有利于调整地基的不均匀沉降,一般都在罐壁下设置钢筋混凝土环形基础(或称环墙基础)。

近年来,由于我国石油化工工业发展很快,兴建了一大批不同容量的储罐,从建造地点来看,大部分在沿海或临海回填地区。这些地区地基松软,而在建罐时,对地基不均匀沉降要求又相当严格,因此必须研究储罐地基变形规律及其破坏机理。目前工程界有的工程师认为地基差异沉降对这种大而柔的储罐不致产生破坏危险,可是从国内外储罐工程事故分析表明,由于差异沉降导致产生破坏危险,特别日本水岛油罐事故以来,使人们进一一步认识了差异沉降的性质及其与储罐破坏机理的关系。从储罐工程实测沉降来看,虽然沉降有多种形式,但基本上可分为三种模式(见图4-11)。

储罐的不均匀沉降有三种形式,即罐体呈平面倾斜,罐壁扭曲呈非平面倾斜,罐底碟形沉降。根据国内100座储罐的沉降观测资料分析表明,凡是采用钢筋混凝土环基的,通常皇平面倾斜,仅呈平面倾斜的储罐基础,罐壁不至于遭到破坏;面非平面倾斜通常使罐壁径向扭曲产生过大次应力。引起浮顶失灵。

储罐地基变形沉降计算

(1)储罐地基破坏类型有三种,即整体失稳、局部失稳和冲切破坏。例如,挪威1952年新建5000m2储罐,宜径25m,在进水历时35小时后,即开始倾斜,不均匀沉降达50cm;罐外地面隆起达400mm,破坏时净荷载为112kPa,主要由于在硬粘地基中有一层不排水抗剪强度小于20kPa的软粘土所致。

(2)储罐地基沉降按发生的次序可以分为三个主要部分,即初始沉降、固结沉降(主固结)和次压缩(次固结)沉降。最终沉降采用下式估算S。=S1+S+S,(4-26)式中S.——因侧向变形引起的沉降分量;S.-—因固结变形引起的沉降分量,即按分层总和法计算的储罐地基最终沉降量;S,——因次固结引起的沉降分量。

由于目前理论计算方法不易准确给出Sa、S.值,因此根据储罐工程实测资料分析,可将式(4-26)写为

S。=9,·S.(4-26a)

式中g,——考虑地基侧向变形及其影响因素的经验系数;Sa、Sa和S.可由实测的S~:曲线推算;9。值可从推算的S。值和理论计算的5。值来确定。

2.储罐地基变形允许值控制标准

储罐地基允许变形值确定是一个复杂的问题,贾庆山曾对国内外几十年来的研究情况和沉降规测成果作过较深入分析研究和综述。根据国家地基规范有关内容,并参考有关规范,提出储罐地基变形允许值控制标准的建议。

(1)平面倾斜(储罐整体倾斜)相对来说不是最重要的(除非大的倾斜)。由于罐体倾斜改变了液面形式,从而使罐壁增加了附加应力,对罐体应力分析表明,只要罐壁在无次应力情况下,给出最大倾斜即可,Green.Hight指出,如果罐壁平面倾斜达到肉眼可见1/200

(0.5%)以内不会造成事故。从实测沉降数据分析,并参考有关国外文献资料,储罐倾斜小于6×10-3情况良好,(6~9)×10-3者属于一般,大于10×10-3者较差。综上所述,建议储罐地某变形允许值按表4-2选用14.31:

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(2)非平面倾斜(罐周边不均匀沉降),罐壁本身刚度可减少罐周不均匀沉降,但罐周差异沉降仍是产生罐壁次应力和椭圆度的主要影响因素。这是因为,与罐周不均匀沉降相应的倾斜是因为浅层土产生剪切变形引起的,所以也是相当危险的。椭园度过大将影响浮顶自由升降,甚至造成事故。罐周边沉降通常按罐周等分设置水准观测点,进行水准测量。如果罐体倾斜,但保持在同--平面时,测出沉降,对比其相应周长,可构成一个正弦曲线,从理论上分析,正弦曲线表示偏差程度,即表明微分变形是否会使罐体达到破坏程度。

沉降曲线呈现峰和谷,这就反映了罐周有扭曲变形。对浮顶罐控制罐周不均匀沉降尤为重要。建议按下式估算

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(3)罐中心与周边沉降差(罐基础锥面坡度),罐底在径向是特别柔性的,这与罐壁能容许大的沉降有关。为便于向罐周边排出储液,其主要问题是对罐底向下(或向上)拱度的准确估算。如果计算拱度不大于初始拱度将不产生过大的拉力,罐就能正常使用,为了预估造成损坏的不均匀沉降值,应采取减少底板拉力的措施,以避免节点焊缝应力过大,可在罐中心采用预抬高的办法来补偿预估沉降。

目前工程上为了避免储罐底板因变形达大而发生屈服断裂,通常以罐中心沉降Sp与罐周边沉降S动之差和罐半径的比值来确定储罐底板容许变形值。可按下式估算

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这是一种简化方法,根据工程实测反算较为符合实际。

采用有限单元法对--些罐基础沉降进行与实测对比分析,最大沉降不是在罐中心,而是在距离罐基中心R/4左右。这种性质与太沙基在1935年指出的柔性地基相符合,即以R为半径的圆形荷载在弹性地基上沉降的计算结果相当接近。通过对叠焊的罐底板做试验,其结果表明罐基础中心到边缘拱度容许值为2.23%,与林奈1963年所建议的相同。储罐地基变形的控制标准,主要包括最终沉降量、罐体倾斜、罐底板锥面坡度及罐底周边每延米相对沉降差。作者根据沿海几个炼油厂100余座储罐实测资料,提出了储罐地基不均匀变形的计算方法和控制指标。储罐整体倾斜量按K=45计算。式中A5为沿直径方向的罐周两点之间沉降差,D为罐直径。罐周差异沉降按ASm.=△S/L计算。式中AS为罐周两点之间沉降差,L为该两点之间的罐周弧长。罐底锥面坡度按(式4-27a)计算。

软弱地基上的储罐在充水预压过程中通常产生不均匀沉降。作者通过对沿海某炼油厂30余座有较大不均匀沉降储罐基础进行纠偏工作,并对位移法、调平法、顶升法、气垫船法以及挖沟排挤法作比较,工程实践证明,挖沟排挤法是一种储罐基础纠偏的简易实用方法。

作者根据30年来在沿海软土地基100座储罐实测沉降观测资料作的分析研究表明,差异沉降会使罐体结构在使用上发生问题。罐体的倾斜与不均匀沉降有关,不均匀沉降又与沉降有关,而且罐体的倾斜又是取决于土的性状、结构及基础的型式。

3.地基压缩层计算深度的确定

(1)地基压缩层计算深度的确定,按现行规范规定地基压缩层下限的计算深度为a,应满足下式,并考虑相邻荷载的影响。

储罐地基变形沉降计算

若采用附加压力与土的自重压力的比例确定地基压缩层的深度,即P,=0.1P。作为控制计算深度(简称应力比法),(P、P。分别为基础底面下土层深度:处的附加压力与土的自重压力),除计算繁琐外,还存在以下问题:

①它过大的考虑了荷载对计算压缩层深度的影响,而储罐工程实测结果表明荷载对其影响较小。

储罐地基变形沉降计算

如图4-12所示,这是上海高桥某50000m2储罐,基底外径60.568m,可明显看出,基底压力在地基允许承载力(f<100kPa)的范围内各土层变形率基本一纹,即使基底压力大于地基允许承载力的1~2倍,其变形率的增量也甚微。

②按地基附加压力与土的自重压力的比例关系来确定压缩层深度,没有考虑土层的构造及其压缩性的影响。

储罐工程实测资料表明0.64D以下的土层在各级债载下深层标沉降值小于4.9%。说明地基硬土层起到扩散压力的作用,致使此层以下的变形显著减小。

由此看出,压缩层计算深度主要取决于基础面积、基础形式和土层的构造及其压缩性,荷载只能影响其沉降量。

(2)压缩模量的取值,考虑到地基变形的非线性性质,采用固定压力段下的E,值必然会引起沉降计算的误差,因此建议采用实际压力下的E值,即

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显然,应用上式进行计算能够充分体现各分层土的E。值在整个沉降计算中的作用,使在沉降计算中E,完全等效于分层的E。

(3)根据现场实测资料进行沉降计算并与实测值对比得出沉降计算经验系数。,与平均E.之间的关系,这次新规范采用了以相对变形作为控制标准(以下简称为变形比法)与实测资料的对比分析,可以看出,对于D=10m~60m的基础,其值却与实测相近,故采用修正变形比法。

4.地基沉降计算

沉降计算是软土地基储罐设计中的一个重要组成部分。一般说来,如沉降量大,则不均匀沉降也相对较大,对不均匀沉降柔性较大钢制储罐是有一定忍受能力的,但对过大的不均匀沉降就会给储罐使用和安全造成危害。目前国内外在储罐设计和使用时,一般都对沉降和差异沉降提出安全使用允许值。储罐地基变形计算值,不应大于地基变形允许值。

地基变形特征可分为沉降、储罐地基整体倾斜(平面倾斜)、罐基周边不均匀沉降(非平面倾斜)、罐中心与罐周边沉降差(罐基锥面坡度)。

储罐基础当处于某情况时,应作沉降量计算,如天然地基土不能满足地基承载力设计值要求、储罐基础与相邻基础较近,储罐基础有可能发生倾斜、储罐基础下有厚、薄不均匀的地基土、有特殊要求的罐基础。沉降计算方法在国内有十余种之多,规范选用了分层总和法,其理由是在我国最为常用,广大勘测设计人员熟悉;考虑的因素较全面,可以分层计算任意点的沉降,并可考虑相邻荷载的影响。

计算地基变形时,地基内的应力分布,可采用各向同性均质的直线变形体理论。其最终沉降量可按下式计算i:

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