常压立式圆筒形储罐抗震设计探讨

张瑞松 浙江省天正设计工程有限公司 杭州 310012

在化工储运设计中，常压立式圆筒形储罐是非常常见的一种储运设备。对于结构专业而言，储罐的设计工作量主要体现在储罐的基础设计上，现行国家或行业标准中关于常压立式圆筒形储罐抗震设计的规范主要有《构筑物抗震设计规范》GB 50191 -93、 《石油化工构筑物抗震设计规范》SH/T 3147 -2004、 《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》GB 50341 -2003。由于上述三个规范在适用范围以及计算方法上有一定的共性，而计算的结果却存在差异，导致土建投资存在差异，有时甚至差异很大。本文针对常压立式圆筒形储罐的抗震设计，对比分析上述三个规范存在的不同点，提出相关的建议。

1 各规范的适用范围

1.1 《构筑物抗震设计规范》

适用于抗震设防烈度为6 度至9 度地区的构筑物抗震设计。该规范为结构专业适用的中华人民共和国国家标准。

1.2 《石油化工构筑物抗震设计规范》

适用于抗震设防烈度6 度至9 度地区的石油化工构筑物抗震设计。该规范为结构专业适用的中华人民共和国石油化工行业标准。

1.3 《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》

适用于储存石油、化工产品及其他类似液体的常压(包括微内压)立式圆筒形钢制焊接油罐的设计。该规范为设备专业适用的中华人民共和国国家标准。其中该规范规定油罐抗震计算适用于罐壁高度与直径比不大于1.6，且容积不小于100m3的常压立式圆筒形钢制平底油罐的抗震计算。

2 储罐的水平地震作用计算

2.1 《构筑物抗震设计规范》

《构筑物抗震设计规范》规定的储罐总水平地震作用按下列公式计算:

式中，FEk为储罐的总水平地震作用标准值;α1为相应于储罐与储液耦合振动基本自振周期的水平地震影响系数值，应按规范第5.1.5 条规定确定，对于公称容积小于10000m3的储罐，可采用水平地震影响系数最大值(按抗震计算水准B 确定);η 为罐体影响系数，可采用1.1;mL为罐内储液总质量，kg;g 为重力加速度，9.81m/s2;ψW为动液系数，可按表1 采用。

表1 动液系数

2.2 《石油化工构筑物抗震设计规范》

《石油化工构筑物抗震设计规范》规定的储罐总水平地震作用按下列公式计算:

式中，FEk为储罐的总水平地震作用标准值;α1为相应于储罐与储液耦合振动基本自振周期的水平地震影响系数值，应按规范第7 章有关规定确定，对于公称容积小于10000m3的储罐，可采用水平地震影响系数最大值;η 为罐体影响系数，可采用1.1;m1为罐内储液总质量，kg;g 为重力加速度，9.81m/s2;ψW为动液系数，可按表2 采用。

表2 动液系数

2.3 《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》

《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》规定的罐壁底部水平地震剪力按下列公式计算:

式中，Q0为在水平地震作用下，罐壁底部的水平剪力(MN);Cz为综合影响系数，取0.4;α 为地震影响系数，根据T 值及反应谱特征周期Tg 及地震影响系数最大值αmax按图D.3.1 采用，对于公称容积小于10000m3的储罐可取αmax;Y1为罐体影响系数，取1.1;g 为重力加速度，9.81m/s2;m1为储罐内储液总量，kg;Fr为动液系数，由径高比按表3 选取，中间值按插入法计算。

表3 动液系数

2.4 对比分析

从上述三个规范计算储罐的总水平地震作用标准值的公式来看，各规范的罐体影响系数、储罐内储液总量以及动液系数是完全一致的。仅水平地震影响系数存在比较大的差异。以7 度0.10g地区，储罐公称容积小于10000m3的储罐为例，比较它们之间的差异:

《建筑抗震设计规范》规定7 度0.10g 地区在多遇地震、设防地震、罕遇地震下水平地震影响系数最大值分别为0.08、0.22、0.50。

《构筑物抗震设计规范》规定α1值按抗震计算水准B 确定，取α1=0.25。

《石油化工构筑物抗震设计规范》规定α1值采用水平地震影响系数最大值，取α1=0.08。

《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》规定地震影响系数采用水平地震影响系数最大值，取α =0.23，乘以综合影响系数Cz=0.4 以后，α =0.23×0.4 =0.092。

从上述分析结果来看，《石油化工构筑物抗震设计规范》以多遇地震作为储罐设计的抗震设防第一水准; 《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》以设防地震作为储罐设计的抗震设防第一水准，乘以综合影响系数Cz=0.4 以后相当于还是以多遇地震作为储罐设计的抗震设防第一水准，但安全等级提高至一级;而《构筑物抗震设计规范》相当于以设防地震作为储罐设计的抗震设防第一水准。这对储罐的基础设计特别是软弱地基上的桩基设计有非常大的影响，在地震烈度为7 度及以上地区，按照《构筑物抗震设计规范》和《石油化工构筑物抗震设计规范》分别设计桩基，在桩基规格、数量相同的情况下，桩基的数量会分别因为由单桩水平承载力特征值和单桩竖向承载力特征值控制而产生很大的差异。

3 总水平地震作用对罐壁底部产生的弯矩计算

3.1 《构筑物抗震设计规范》

《构筑物抗震设计规范》规定的总水平地震作用标准值对罐壁底部产生的弯矩，应按下式计算:

式中，M1为总水平地震作用对罐壁底部产生的弯矩，N·m;ξ 为地震效应折减系数，可采用0.40;FEk为储罐的总水平地震作用标准值，N;hW为储液的高度，m。

3.2 《石油化工构筑物抗震设计规范》

《石油化工构筑物抗震设计规范》规定的总水平地震作用对罐基础顶部产生的弯矩标准值，应按下式计算:

式中，M1为总水平地震作用对罐基础产生的弯矩标准值，N·m;FEk为储罐的总水平地震作用标准值;hW为储液的高度，m。

3.3 《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》

《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》规定的罐壁底部的地震弯矩应按下式计算:

式中，M1为总水平地震作用在油罐底部所产生的地震弯矩，MN·m;Q0为在水平地震作用下，罐壁底部的水平剪力，MN;hW为油罐设计最高液位，m。

3.4 对比分析

从上述三个规范计算总水平地震作用标准值对罐壁底部产生的弯矩的公式来看，各规范计算公式中液位的高度是完全一致的。储罐的总水平地震作用标准值却存在比较大的差异，而总水平地震作用标准值的差异实际就是水平地震影响系数的差异。以7 度0.10g 地区，储罐公称容积小于10000m3的储罐为例，比较它们之间的差异(以《石油化工构筑物抗震设计规范》计算的总水平地震作用对罐基础产生的弯矩标准值为基准M1石化规):

《构筑物抗震设计规范》计算的弯矩值为(0.25 ×0.4)/0.08 M1石化规=1.25M1石化规;

《石油化工构筑物抗震设计规范》计算的弯矩值为M1石化规;

《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》计算的弯矩值为0.092/0.08 M1石化规=1.15M1石化规。

从上述计算结果来看， 《构筑物抗震设计规范》、《石油化工构筑物抗震设计规范》、《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》关于总水平地震作用标准值对罐壁底部产生的弯矩有差异，但差异不大。且弯矩值对结构基础设计不起控制作用，对土建投资的影响不大。其中《构筑物抗震设计规范》和《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》之间一个比较大的区别是《构筑物抗震设计规范》将地震效应折减系数(ξ =0.4)放在弯矩的计算公式内，而《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》综合折减系数(Cz=0.4)放在水平地震剪力计算公式内，造成上述两种规范水平地震剪力计算值的差异很大，而弯矩计算值的差异较小。

4 建议

(1)《建筑抗震设计规范》要求按技术标准设计的所有房屋建筑均应达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标，即三个设防水准。

第一水准——多遇地震，50年超越概率63%。结构弹性变形，可正常使用;

第二水准——设防地震，50年超越概率10%。结构弹塑性小变形，可修复;

第三水准——罕遇地震，50年超越概率2% ～3%。结构弹塑性大变形，不倒塌。

而《构筑物抗震设计规范》要求在设防地震作用下结构保持弹性变形，可正常使用，要求比较高。因此建议《构筑物抗震设计规范》以多遇地震作为储罐设计的抗震设防第一水准，这样既可以与《建筑抗震设计规范》的抗震设计理念相匹配，又可以与《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》的抗震设防水准相匹配。考虑到储罐的重要性、安全性要求较高，可以考虑通过提高储罐的抗震设防的分类标准来达到目的。

(2)建议《构筑物抗震设计规范》、《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》中的地震影响系数最大值与《建筑抗震设计规范》中的地震影响系数最大值相统一。保证规范之间的协调统一。

1 GB 50191 -93，构筑物抗震设计规范［S］. 北京:中国计划出版社，1993.

2 SH/T 3147 -2004，石油化工构筑物抗震设计规范［S］.北京:中国石化出版社，2005.

3 GB 50341 - 2003，立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范［S］. 北京:中国计划出版社，2003.

4 GB 50011 -2010，建筑抗震设计规范［S］. 北京:中国建筑工业出版社，2010.