啤酒发酵罐群底座框架的结构抗震设计

李 安 戌

(山西省轻工设计院，山西 太原 030001)

啤酒发酵罐群底座框架的结构抗震设计

李 安 戌

(山西省轻工设计院，山西 太原 030001)

以支撑发酵罐群的钢筋混凝土单层框架结构为研究对象，分析了两种柱网布置形式对底座框架结构抗震设计的影响，论述了水平以及竖向地震作用的计算过程，并对体系地震影响系数的取值提出了建议，指出正交布置柱网情况下框架梁应考虑竖向地震的影响。

钢制发酵罐群，底座框架结构抗震设计，体系地震影响系数

钢制发酵罐群是啤酒厂生产工艺设备的主要核心部分，罐体直径一般为4.0 m～5.0 m，罐体高度一般为10 m～20 m，单罐储酒重量为100 t～300 t。常常成群布置，并通过4个罐耳架设在高度为6.0 m左右的钢筋混凝土单层框架结构顶部。本文针对此结构抗震设计的几个主要问题进行论述。

1 抗震设计的基本要求

1)抗震设计的主要规范。a.GB 50223—2008建筑工程抗震设计分类标准。b.GB 50011—2010建筑工程抗震设计规范。c.GB 50191—2012构筑物抗震设计规范。d.GB 50761—2012石油化工钢制设备抗震设计规范。2)底座框架结构抗震设计的几项重要指标的主要参数见表1。3)抗震设计的基本要点。a.按多遇地震烈度参数进行分析及截面配筋，按设防烈度要求采取抗震措施。b.应进行竖向地震作用验算。

表1 底座框架抗震设计的主要参数

2 两种柱网布置形式对底座框架结构抗震设计的影响

因为生产工艺的要求,底座只能采用由梁、板、柱组成的单层纯框架结构。其框架柱网常采用“正交布置”及“棋盘布置”两种，如图1所示。

柱网正交布置，梁柱在同一条轴线上，即在同一个竖平面内，具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径，对抗震设计较有利。但是，由于大罐满载后重量很大，重力荷载和水平及竖向地震作用须先由框架梁承受，再从梁传给柱子。计算结果表明，框架梁端弯矩，剪力很大，这导致框架梁需要很大的断面尺寸和配筋。按此设计出的梁跨高比大于4且属超筋梁，违背了“强柱弱梁”的设计原则。因此，这种柱网布置形式只能在较小生产规模的情况下使用。柱网棋盘布置，大罐荷载可直接作用在柱顶。框架梁须隔一排柱布置，即梁不能完全连通，但由于有环梁的存在，整个结构的等效抗侧移刚度并不小。同时，框架梁的断面尺寸和梁柱配筋率大大减小，容易做到“强柱弱梁”，在100 t以下的罐群中往往采用这种柱网形式。以8度360 t储罐的4×4罐群为例，两种柱网布置形式的结构计算结果比较见表2。

表2 两种柱网布置形式的结构计算结果比较

3 水平地震作用的计算

依据GB 50191—2012构筑物抗震设计规范及GB 50761—2012石油化工钢制设备抗震设计规范条款，应按多遇地震确定影响系数，并进行地震作用和作用效应计算，底座框架结构的水平地震作用可按单质点体系采用底部剪力法计算。支承框架的总水平地震作用标准值，采用等效总重力荷载产生的水平地震作用标准值与总液体荷载产生的水平地震作用标准值。结构等效总重力荷载包括钢罐体框架梁板及1/2柱的自重值之和。结构等效总重力荷载水平地震作用标准值和液体荷载水平地震作用标准值的作用点在质心处。计算简图如图2所示。

水平地震作用按下式计算：

FEk1=α1Geq

(1)

FEk2=α2ηmeqg

(2)

meq=mψw

(3)

其中，FEk1，FEk2分别为结构自重振动产生的水平地震作用标准值及酒液振动产生的水平地震作用标准值；α为体系地震影响系数。由框架结构与酒罐组成的振动体系的自振周期，地震烈度场地类别、设计地震分组、阻尼比确定，可取αmax,有的文献采用将罐体置于地面的计算公式确定自振周期及α值，笔者认为并不合适。事实上，这个振动体系是由底部钢筋混凝土框架、钢制酒罐、酒液体复合而成的，且钢制酒罐的高度远大于底部框架。酒液体和罐还存在壳液耦联振动问题，其自振周期的确定须经复杂的计算。此处取αmax为简化计算起见；Geq为体系自重等效重力荷载，可取其重力荷载代表值；meq为酒液等效质量；m为满罐时，酒液总质量；η为罐影响系数，可取1.1；ψw为动液系数，GB 50191—2012构筑物抗震设计规范根据D/Hw值推荐按表3确定。

表3 动液系数

GB 50761—2012石油化工钢制设备抗震设计规范推荐：

(4)

(5)

其中,tanh为双曲正切函数；R为酒罐半径。

FEk1作用点在框架顶部。

FEk2作用点在罐内酒液的质心，其对罐底框架产生力矩。

M=0.45FEk2Hw

(6)

由此转化而来的每个罐底附加竖向力：

作用在框架顶部的点水平地震为：

FEk=FEk1+∑FEk2

(7)

框架结构水平地震作用计算简图如图3所示。

从图3可以看出中间柱的附加竖向力可以相互抵消，但边柱仍然存在。

4 竖向地震作用计算

对于柱网正交布置作用的酒罐裙底框架结构，因罐液重力全部直接作用在框架的中点上，每个酒罐是3联结的单独振动质点。这样将对框架梁产生较大的竖向地震作用反应。结构设计时应考虑其竖向地震作用。

酒罐底部的竖向地震作用，应按下式计算：

Fv=αvmaxmeqg

(8)

其中,Fv为酒罐底部的竖向地震作用;αvmax为竖向地震影响系数最大值，对设防地震可取水平地震影响系数最大值的50%,对多遇地震可取水平地震影响系数最大值的65%;meq为酒液及罐体的等效质量，可取总质量的75%。

5 结语

以上是笔者结合自己实际工作，分别论述了啤酒发酵罐群钢筋混凝土底座框架结构抗震设计的几个要点，局限于个人水平，文中疏漏及不当之处，恳求同行批评指正。

The structure seismic design of beer fermentation tank group pedestal frame

Li Anxu

(ShanxiLightIndustryDesignInstitute,Taiyuan030001,China)

Taking the single story frame structure of support fermentation tank group reinforced concrete as the research object, this paper analyzed the influence of two column layout forms to pedestal frame structure seismic design, discussed the calculation process of horizontal and vertical seismic effect, and suggested the value of system earthquake influence coefficient, and pointed out that the framework should consider the influence of vertical seismic under orthogonal grid layout situation.

steel fermentation tank group, pedestal frame structure seismic design, system seismic influence coefficient

2015-06-06

李安戌(1958- )，男，工程师

1009-6825(2015)23-0030-03

TU352

A