储罐储液作用标准值及其分项系数的研究

贾桂敬 甄 军 渠 强 中海油石化工程有限公司 济南 250101

对于结构承载能力极限状态设计，在其它基本变量恒定的情况下，作用分项系数的不同取值直接决定了结构可靠度水平的高低。在化工装置建筑结构设计中，如果能做到针对不同的工况和实际的工艺操作条件，基于结构构件目标可靠指标β值，合理取用适度的作用分项系数值，结构设计将获得较好的经济指标。《钢制储罐地基基础设计规范》[1]GB 50473-2008第3.3.4条、《石油化工球罐基础设计规范》[2]SH/T 3062-2017第5.4.2条均规定：在正常操作时，罐内储液作用效应分项系数为1.3。上述两标准对储罐/球罐储液标准值的取值方法虽未作出详细的说明，但可以推断出此处分项系数的取值是基于储液的操作液位最大值确定的，而不是按照设计液位给出的数值。在实际工程中，存在以最高的设计液位来确定储液标准值，而储液重量作用分项系数仍然取1.3的工程案例。如此的设计方法，理论上是不严谨的，经济上也是不合理的。

1 储罐储液重量标准值的取值依据及原则

1.1 储罐工况及储液作用属性分析

1.1.1 化工装置的有界作用

有界作用是指具有不能被超越的且可确切或近似掌握界限值的作用。结构上的作用随时间变化的规律一般采用随机过程的概率模型进行描述，当有充分观测数据时，作用的标准值应按在设计基准期内最不利作用概率分布的某个统计特征确定；对有明确界限值的有界作用，作用的标准值应取其界限值。

化工工程结构的许多作用，其作用值由于受到工艺条件的限制而具有不能被超越的界限值，例如储罐储液的最高设计液位、敞口容器的物料储存高度、操作工况下容器中的设计液位重、试验工况水压试验的水重、水池内满水重、安装检修工况的额定起吊重量等。根据有界作用的特点，有界作用的概率统计不能选用经典的概率模型，应选用截尾概率分布类型。

1.1.2 储罐操作工况分析

《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》[3]GB 50341-2014给出了储罐操作液位和设计液位的定义，见图1。

Vmax——最大储存容量； V1——正常操作残留容量；V2——有效操作容量； V3——预留保护容量； h0——罐底板上表面；h1——最低操作液位； h2——正常操作液位； h3——设计液位； h4——罐壁顶部

根据图1储罐容量与液位关系可知：

(1)储罐有效操作容量为正常操作液位与最低操作液位之间的容量。储液操作液位是一个变化的范围，一般情况下，储液达到该液位的最高液位时，储罐工艺设计要求自控系统作出报警和联锁反应，即储罐储液操作液位是可控的，但存在超越的概率。因此，不同时段操作液位最大值为随机变量，符合常见可变作用的概率特征，属于无界作用。

(2)储罐最大储存容量为储存介质液面达到设计液位时的容量。储液设计液位是极限罐容液位，此液位的储液重量作为储罐基础设计的作用标准值是可控且不可超越的，属于有界作用。

1.2 储罐储液重量作用标准值的取值分析

当储罐储液重量作用标准值按照储罐正常操作的最高液位(图1中h2)取值时，则储罐地基基础的设计执行现行储罐基础设计规范的规定。

当储罐储液重量作用标准值根据设计液位(图1中h3)取值时，符合《建筑结构可靠性设计统一标准》[4]GB50068-2018第5.2.6条，对有明确界限值的有界作用，作用的标准值应取其界限值的规定。

1.3 储罐基础设计的荷载条件

当前行业的储罐基础设计中，工艺或管道专业向结构专业提出的荷载条件，一般没有区分操作液位和设计液位对应的储液重量，结构专业对此也是模糊的，仅仅将储液重量作为可变作用，按照现行储罐基础设计规范的要求进行设计。因此，主导专业的荷载提资，对于分别具有不同概率特征的操作液位和设计液位应分别提出罐容重量。

2 储罐储液重量的作用分项系数

2.1 作用分项系数与结构可靠度的关系

作用分项系数是概率极限状态设计的最基本特征，在以概率理论为基础、以分项系数表达的极限状态设计方法中，将结构可靠度的目标要求分解到各分项系数的设计取值中，作用的标准值通过分项系数与结构可靠指标β建立了对应关系，这些分项系数代替了可靠指标β，反映了随机性作用与结构可靠度的关联关系。

作用分项系数应根据作用的概率分布和统计参数及规定的可靠指标通过计算分析确定，在化工工程结构中可根据装置实际的工艺操作状况并结合工程经验采用不同的值。作用(包括永久作用、可变作用等)分项系数取值越高，相应的结构可靠度设置水平也就越高。

2.2 储罐重量可变作用标准值的概率特性分析

现行储罐基础设计规范均将储罐储液重量视为可变作用，但储液可变作用属性不同于普通的可变作用，主要区别是储罐储液重量的标准值并非基于统计数据的样本函数按照设计基准期50年内最大荷载概率分布的某个分位值确定的，而是根据储罐结构、工艺生产及控制联锁的实际情况得出的作用标准值。

对应于操作液位的标准值，液位变化的最大值具有概率的某些特征，其超越概率是由连锁的延迟或切断物料入口的延迟所造成；对应于设计液位的标准值，对于某个具体的设备，是一个固定值，因此属于有界作用的范畴，不具有概率分布的特征。

2.3 现有标准对于有界可变作用分项系数的取值规定

对于有界作用的分项系数，在《石油化工建(构)筑物结构荷载规范》[5]GB 51006-2014中有明确的规定：当正常操作工况下，可变荷载采用极限值时，分项系数应取1.0。

2.4 储罐设计液位标准值与分项系数取值分析

有额定限值的可变作用，取其额定限值作为标准值。本文以常见可变作用标准值的超越概率为基准，对储罐储液设计液位重量标准值的超越概率进行对比分析，从而推断该液位重量作用分项系数。

储罐储液重量的分项系数的取值是否满足既定的可靠指标，关键是看储罐储液重量的标准值的超越概率，即经过分析判断得到储罐设计液位重量作用效应的超越概率，与常规可变作用的概率特性进行比对，判断可靠度水平的高低。

目前的国家标准中，对作用标准值最大值概率分布分位值的百分位无规定要求，但根据ISO2394的核心思想，储罐储液标准值产生的作用效应的超越概率不大于5%时，储罐基础结构则可以达到现行国家标准规定的可靠指标。

为什么具有限值特性的可变作用的分项系数可认定为γQ=1.0呢？一般情况下，作用的标准值Qk=μ+1.645σ=μ(1+1.645δ)，作用标准值的确定方法见图2。

根据图2可以看出：对于常规可变作用，作用标准值的超越概率为5%时，满足目标可靠指标要求的可变作用分项系数γQ=1.5。

图2 作用标准值确定方法

对于具有限值特性的设计液位的储罐储液重量标准值，储罐运行时大于该标准值的超越概率已趋近于0，因此可以推断，设计液位的储罐储液重量作用的分项系数将小于常规可变作用的分项系数，此时储罐基础的结构可靠度水准将大于常规可变作用的可靠度水准。根据工程经验，并参考GB 51006关于具有限值特性作用的分项系数的取值规定，储罐储液重量作用的分项系数可取γQ=1.0(最小值为1.0)。

如果设计液位的储液重量作为永久作用进行结构分析，其分项系数也可取值1.0，其机理亦同上述分析。

2.5 基于GB50068-2018标准的储罐操作液位重量作用分项系数取值分析

GB50068-2018的目标可靠指标与2001年版本相比，指标未作调整，但作用分项系数却已往高处进行了调整，储罐储液基础设计作用效应基本组合的作用分项系数是否予以跟随调整呢？由于储罐储液操作液位的最大值的变化幅度极小，已近似固定值，其变异系数较小，因此对储罐基础可靠指标的影响就较低。根据本文的分析以及储罐结构的特性，不建议跟随调整，保持1.3即可。

3 储罐储液作用分项系数的不同取值对基础设计的影响分析

3.1 承载能力极限状态设计的影响

作用效应基本组合的作用分项系数决定了结构构件可靠度水平的高低，其取值的高低对设计结果及结构可靠度均有影响。例如，对环墙式储罐基础的环墙的强度设计有影响，特别是位于楼层上的储罐，对整体结构，包括基础构件都将产生较大的影响。分项系数的取值水平直接决定了材料用量的多少和设计作品经济效益指标的高低。

3.2 正常使用极限状态设计的影响

因为正常使用极限状态的验算不属于概率极限状态设计的范畴，其作用效应的组合设计值不牵扯到作用分项系数。如构件的变形验算、混凝土构件的抗裂度或裂缝控制、地基承载力验算(确定基础面积)、确定桩(强桩)的数量等均与储罐储液重量分项系数的取值大小没有关系。

4 储罐基础设计依“设计液位”进行复核验证

当储罐的操作液位和设计液位相差较小时，储罐储液重量标准值依据操作液位取值，其余设计内容执行现有储罐基础设计规范的相关规定；当上述两个液位相差较大时，应再以储罐设计液位的储液重量作为标准值，其基本组合取其分项系数1.0进行储罐基础的补充复核验算。

《结构上的作用-第4部分：筒仓和储罐》[6]EN 1991-4:2006第3.5条“储罐内液体设计工况”也提出了应按照操作液位、设计液位两种不同工况液位分别进行储罐基础设计的要求。

5 结语

(1)在正常操作工况下进行储罐基础的承载能力极限状态设计时，储液重量标准值取最高操作液位对应的罐容重量，该标准值在作用效应基本组合中的分项系数为现行规范规定值1.3。

(2)按照设计液位的罐容进行储罐基础的承载能力极限状态设计时，取该液位的罐容作为储液重量的标准值，该重量作用属于有界作用，其超越概率趋近于0，按照结构可靠度理论并根据具有限值特性的作用的特点，作用效应基本组合分项系数可取1.0。

(3)储罐基础承载能力极限状态设计宜按操作液位进行设计，并应按设计液位进行复核。