基于GB/T 50761石化静设备抗震设计解析

许超洋

(中石化广州工程有限公司，广东 广州 510620)

我国是世界上地震活动最强烈的国家之一，具有震区分布广、地震频度高、强度大、震源浅等特点。20世纪以来，根据地震仪器记录资料统计，我国已发生6级以上地震700多次，其中7.0～7.9级地震近100次，8级及8级以上地震11次。2008年汶川地震后，中石化抗震技术中心站组织对震区石化企业进行了系统性的地震灾害调研，其中静设备震害特点如下：

1) 浮放卧式设备与支腿式设备整体移位。

2) 高耸烟囱整体断裂、塔器的地脚螺栓被拉长或拉断、球罐的拉杆被拉长、支柱地脚螺栓被剪断、支柱产生位移等。

3) 设备的移位导致相连管线断裂。

4) 外浮顶油罐因浮盘出现大振幅晃动而不同程度地发生冒油、导向管弯曲、罐顶平台和转动扶梯损坏等现象。据统计，地震发生时，除因石化设备倒塌造成部分人员伤亡外，大部分人员伤亡是因为设备破坏造成易燃介质的火灾、爆炸以及有毒介质扩散造成的二次灾害。

从2007年起，规范组开展了多项专题研究工作，在调查总结国内外石化静设备震害并考虑我国经济条件和工程实践的基础上，对原SH 3048—1999(以下简称SH 3048)《石油化工钢制设备抗震设计规范》【1】进行全面改版，明确了设备本体的抗震设防目标，并升级为国家标准，于2012年发布GB 50761—2012《石油化工钢制设备抗震设计规范》【2】，2018年又对该标准进行了修订，并发布GB/T 50761—2018《石油化工钢制设备抗震设计标准》【3】。

GB/T 50761—2018(以下简称GB/T 50761)明确了石化静设备的抗震设防目标与重要度分类， 给出了新的抗震设计反应谱，明确了各类设备的地震作用调整系数与结构阻尼比、许用应力的取值、抗震计算载荷组合以及相关的抗震构造措施等。本文简要叙述GB/T 50761标准编制相关背景、相关条款的演变历程与现状，并对标准发展提出展望。因加热炉的抗震设计基本沿用了现行GB 50011—2010【4】(以下简称GB 50011)《建筑抗震设计规范》中的极限状态法，因此，本文主要针对容器和储罐等石化静设备进行分析。

1 抗震设防与设计计算

1.1 抗震设防目标与重要度分类

石化静设备的结构体系相对于建筑结构较为简单，其主要抗震抗力系统由设备本体、支撑构件和锚固结构构成。地震发生时，设备本体的损坏会导致设备爆炸或介质泄漏，而支撑构件和锚固结构的损害会导致设备倒塌并拉断相连管线，进而导致介质泄漏。因石化静设备大都盛装易燃易爆、有毒有害介质，一旦介质泄漏，所带来的次生灾害极为严重，故其抗震设防目标比普通建筑结构要求更高。区别于现行国家标准GB 50011规定的 “小震不坏、中震可修、大震不倒” 3个水准抗震设防目标，GB/T 50761为石化静设备提出了单一水准的抗震设防目标，该标准第1.0.3条规定：“按本标准进行抗震设计的石油化工设备，当遭受相当于本地区抗震设防烈度的设防地震影响时，设备本体、支撑构件和锚固结构不应损坏。”抗震设防烈度即为50年超越概率10%的基准地震。即GB/T 50761的抗震设防目标相当于“中震作用下，主体抗力系统不发生破坏”。抗震设防目标通过抗震计算以及抗震构造措施来实现。各标准的抗震设防目标如表1所示。

GB/T 50761根据石油化工设备的特点、规格、介质、用途和受地震破坏后的危害程度等将设备抗震重要度类别划分为4类，分类原则是参考美国《Guidelines for Seismic Evaluation and Design of Petrochemical Facilities》【5】和日本MITI Notification No.515【6】，并结合了我国TSG 21—2016(以下简称TSG 21)《固定式压力容器安全技术监察规程》【7】压力容器分类、AQ 3053—2015《立式圆筒形钢制焊接储罐安全技术规范》【8】储罐分类，同时考虑高耸设备的危害性以及消防用途设备的特殊性确定的。各类标准的抗震重要度分类、重要度系数及相关准则如表2所示。GB 50223—2008(以下简称GB 50223)【9】、GB 50453—2008(以下简称GB 50453)【10】对建筑物或构筑物进行抗震设防分类时，通过调整设防烈度和抗震构造措施体现其重要度分类，而GB/T 50761仅用抗震重要度系数调整不同类别设备的地震作用，各类别的设备构造措施仅与其支撑结构类型相关。

表1 抗震设防目标对比

表2 抗震重要度分类

1.2 地震作用

目前,国内外抗震设计标准通常采用弹性反应谱理论和R-μ基本准则的抗震设计方法。其设计思想为：设防地震作用下，结构已进入弹塑性振动，需将设防地震作用水准降到设计采用的相对低的地震作用水准，并通过弹性分析保证结构在地震下的非弹性效应不超过其承载能力【11】。不同国家对于强度折减系数称谓不同，如美国ASCE7-10称为结构反应修正系数R(Response Modification Coefficient)，欧盟的EN 1998-4:2006(以下简称EN 1998-4)【12】则称为性能系数q(behavior factor)。不同结构体系采用不同的强度折减系数【13】。

GB 50011《建筑抗震设计规范》从1959年至今历经多个版本，64版规范开始引入结构影响系数C；78版规范中明确结构影响系数C反映强震作用下实际结构与理论单质点弹性体系间的差异，其影响因素包括结构形式、结构的塑性变形、结构的阻尼、非承重构件的抗震作用、地基变形等，不同的结构采用不同结构影响系数，其范围为0.25～0.50，校核方法为许用应力法；89版规范直接改用对应于小震(即多遇地震，50年超越概率63%)的地震影响系数进行弹性分析，然后采用极限状态法进行效应校核，相当于结构影响系数为0.35～0.37，且与结构类型、阻尼比无关【13】；2001和2010版规范沿用了基于多遇地震的极限状态分析方法，但考虑到结构抗震耗能效果差异，在对不同结构进行不同部位的抗震验算时，引入不同承载力抗震调整系数，同时为了体现抗震设计中多道设防和强柱弱梁原则，又引入局部结构地震作用折减系数。

我国石化静设备的地震作用主要参考《建筑抗震设计规范》。我国现行的NB/T 47041—2014(以下简称NB/T 47041)《塔式容器》【14】、NB/T 47042—2014(以下简称NB/T 47042)《卧式容器》【15】、GB/T 12337—2014(以下简称GB/T 12337)《钢制球型储罐》【16】等产品标准中的抗震设计计算基本沿用了GB 50011—2001基于多遇地震的地震影响系数，但仍采用许用应力法并且没有体现设防目标、重要度分类、抗震构造措施等内容。SH 3048、GB/T 50341—2014《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》【17】沿用了78版建筑抗震规范基于设防地震(中震)乘以结构综合影响系数Kz的弹性分析方法。而GB/T 50761在SH 3048的基础上，将结构综合影响系数Kz修改为地震作用调整系数RE，以设防地震为基准，考虑结构的弹塑性耗能，用地震作用调整系数RE将设防地震作用折减，再乘以设备的抗震重要度系数η，同时，对设备进行线弹性分析，并对设备应力进行验算，许用应力需乘以抗震许用应力调整系数KL。此外，还明确了各类支撑结构设备的阻尼比的取值，该取值体现了支撑结构的差异性。计算地震影响系数时，采用阻尼比所对应的修正系数对阻尼比为0.05的标准地震谱进行修正。地震作用调整系数对比如表3所示。因立式圆筒形储罐为罐壁支撑，没有独立的支撑结构，故地震作用调整系数RE相对于其他支撑结构设备略小。裙座式直立设备的多振型影响已单独考虑，故取值与其他支撑设备保持一致。但石化静设备的地震作用调整系数普遍比基于GB 50011的等效地震作用调整系数高，这主要是考虑到：1)石化静设备的抗震设防水准比建筑结构设防水准要高；2)石化静设备的结构抗力系统相对比较单一，缺乏多道防御体系，冗余度较低，结构延性较差，在强震作用下的耗能能力不如建筑结构。

表3 地震作用调整系数对比

以7度0.1g设防地震烈度的地震影响系数最大值0.23为例，对各类设备在不同标准下的地震影响系数计算值进行对比分析。裙座式直立设备地震作用对比如表4所示。由表4可见：NB/T 47041相比SH 3048，当阻尼比较小时，地震作用基本持平，当阻尼比较大时，地震作用则降低了约22%；而GB/T 50761与SH 3048相比,阻尼比较大时，地震作用基本持平，当阻尼比较小时，地震作用则提高了约28%。卧式设备地震作用对比如表5所示。由表5可见：NB/T 47042相比SH 3048，地震作用降低了约22%；而GB/T 50761与SH 3048相比,地震作用基本持平。球型储罐地震作用对比如表6所示。由表6可见：GB/T 12337相比SH 3048，地震作用降低了约14%；而GB/T 50761与SH 3048相比,地震提高了约11%。圆筒形储罐标准GB/T 50341因地震作用调整系数与SH 3048综合影响系数相同，且罐液耦联阻尼比为0.05，故地震作用基本持平。可见，目前塔器、卧式容器、球型储罐等产品设计标准的地震作用普遍比SH 3048低，达不到SH 3048抗震设防水准。而GB/T 50761地震作用略高于SH 3048, 整体抗震可靠性优于其他标准，满足抗震设防目标，并符合经济发展后对抗震安全性更高的国情需求。

表4 裙座式直立设备地震作用对比

表5 卧式设备地震作用对比

表6 球型储罐地震作用对比

1.3 抗震载荷组合与许用应力

鉴于目前压力容器与储罐设计标准仍普遍采用许用应力法，故地震作用与其他载荷作用效应仍采用许用应力法的评定方式。考虑到风载荷(50年一遇)与设防地震发生的概率极低，风载荷组合系数取值0.25。雪载荷则主要作用于球罐、储罐等承载面较大的设备。

类似GB 50011中的承载力调整系数，GB/T 50761明确了抗震许用应力调整系数KL，设备本体以及本体与支撑构件连接焊缝取值为1.2，支撑结构件取值为1.33。设备本体比支撑构件以及锚固附件的抗震许用应力调整系数稍低，主要是考虑了如下因素： 1)设备本体抗震安全性要求更高；2)地震是偶然作用，结构的可靠度可比承受其他静力载荷作用时要求低。锚栓(地脚螺栓)抗震设计许用应力取值较低且不考虑调整系数，主要是考虑以下影响因素：1)锚栓计算方法相对粗糙，难以精确计算其承受载荷；2)地震载荷属于动力载荷，地震发生时，锚栓经常处于超载状态；3)单个锚栓拉断，可能使设备倾覆倒塌，从而产生较大的次生载荷；4)设备在役过程中，对锚栓的检验频率相对较低，损坏后不易更换与维修，且锚栓造价相对便宜【18】。

2 抗震体系设计与构造措施

结构抗震的经验表明：结构的体系与细部构造的优劣对震害轻重有决定性影响。因此抗震措施除抗震计算外，还包括体系设计与构造措施等。参考建筑结构抗震构造措施 “避免脆性破坏，加强延性；强柱弱梁，强节点弱构件” 的基本思想，GB/T 50761在第3.3条对设备的体系设计(包括设备布置、结构以及材料等方面)提出了详细要求。同时针对每种支撑结构的特点，提出了一系列构造措施，如：1)地脚螺栓最小个数以及防松动措施，支座与本体焊接牢固，与罐体连接的进、出口管线采用柔性连接要求；2)球罐拉杆松紧应适度，拉杆交叉处不宜焊死等。

以直立式设备的地脚螺栓为例，它对设备与基础起到三重作用：其一是连接作用，使上下结构得以共同工作，并防止设备在地震时发生滑移、倾倒或抛出；其二是传力作用，使作用于设备的外力通过地脚螺栓传给基础，使地震力反馈到地面的传递路线不致中断，减少或避免上部结构(或设备)地震损坏的积累效应；其三是如果设计得合理，可利用螺栓在地震作用下的变形和螺栓座盖板因受弯屈服所产生的塑性耗能作用，使传递给设备本体的地震作用得以折减，对设备起到保护作用。由于地脚螺栓和螺栓座的强度主要是由地震作用或风载荷来决定的，因此，合理地利用螺栓座盖板的塑性耗能作用也是防止或减轻地脚螺栓震害的有效措施，在抗震设计时，其许用应力的安全裕度小于地脚螺栓，不宜过度强调增加盖板的厚度。

3 GB/T 50761的发展展望

3.1 地震动及反应谱

GB 50011和GB/T 50761均以设防烈度作为地震危险性的宏观衡量尺度，为使用方便，将一定区间的地面地震动峰值加速度取一个设计值作为设计基本地震加速度，与设防烈度相对应的设计基本地震加速度只能成倍地跳跃，而实际的地面地震动峰值加速度是连续变化的，故采用设防烈度很难实现抗震设计的精细化。基于防震减灾法，目前大部分石化工程项目都需进行地震安全性评价，而地震安全性评估报告通常以实测地面地震动峰值加速度表征地震动。目前欧美等国抗震设计标准都已实现直接用地面地震动峰值加速度表征地震动。

GB 50011和GB/T 50761中地震设计反应谱中的动力放大系数最大值βmax均为 2.25。而GB 18306—2015【19】附录F中明确地震影响系数的最大值为设计基本地震加速度的2.5倍。目前欧美等国的地震谱动力放大系数都已调整为2.5。故有必要调整βmax至2.5。

各国抗震设计加速度反应谱骨架基本相似，通常由“上升段、平台段以及下降段”组成，其中下降段又分为速度控制段和位移控制段。当结构自振周期T(单位：s)足够大(即柔性够大)时，结构的振动位移与地面地震位移保持一致，故欧美储罐抗震设计标准EN 1998-4、API 650—2020(以下简称API 650)【20】均采用斜率为(1/T2)的下降段作为长周期反应谱的位移段。GB/T 50761在实验的基础上将GB 50011长周期反应谱自振周期从6 s延长到15 s，并引入调整系数KV，使所计算的储罐晃动波高数值与JIS B8501保持吻合【3】，但对于晃动周期大于或等于10 s的大型LNG储罐，基于GB/T 50761计算的晃动波高仍普遍高于欧美储罐抗震设计标准 EN 1998-4与API 650，因此有必要进一步开展适用于LNG储罐长周期反应谱的研究。

3.2 多级抗震设防

目前的GB 50011采用两阶段设计法来实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”3个水准的设防要求。通过抗震强度验算，满足第一水准“小震不坏”；辅助构造措施满足第二水准“中震可修”；对于刚度、质量、尤其是实际屈服强度明显不均匀的结构或特殊重要结构，则基于罕遇地震的弹塑性变形进行验算，以达到第三水准“大震不倒”的设防要求。同样，在核电抗震设计规范以及国外低温储罐抗震设计标准(如API 625—2014【21】、EN 14620-1：2006【22】中都提出了如OBE(Operating-Basis Earthquake)、SSE(Safety Shutdown Earthquake)等多水准设防要求。而目前GB/T 50761仅为单一设防水准，且缺乏强震作用下薄弱层变形验算方法。随着石化装置的大型化，出现了大量的大型复杂组合结构以及高温、高压、深冷等石化静设备，故有必要逐步引入多级抗震设防理念，确保抗震设防的可靠性。

3.3 极限状态法

目前石化静设备普遍采用单一安全系数的许用应力法，许用应力校核时引入抗震许用应力调整系数，相当于将包括地震在内的所有载荷效应均乘以了地震作用调整系数，并且对强度与屈曲等不同失效模式未予区分，很难真实地体现其安全可靠性。目前GB 50011等抗震设计标准均引入了基于可靠性与概率论理论的极限状态法，并明确了多种抗震载荷组合。国外压力容器设计标准(如欧盟EN 13445-3： 2009【23】、美国ASME Ⅷ-2【24】)均引入极限状态法及相应的抗震载荷组合。因此有必要参考国内外建筑结构载荷规范、抗震设计规范，形成适合我国国情的基于极限状态法的石化设备抗震设计方法及载荷组合。

4 结语

本文从抗震设防目标、重要度分类、地震作用调整系数、抗震载荷与许用应力、抗震体系设计与构造措施等方面对GB/T 50761标准进行了系统的分析与对比，总结出基于GB/T 50761的石化静设备抗震设计具备以下特点：

1) 明确了设防目标为“中震作用下，主体抗力系统不发生破坏”，同时根据石化静设备地震中次生灾害的影响进行了抗震重要度类别划分并赋予相应的抗震重要度系数；

2) 以设防地震为基准，考虑结构的弹塑性耗能，采用地震作用调整系数RE将设计地震弹性谱折减，并乘以设备的抗震重要度系数η后，再对设备进行线弹性分析，并对设备应力进行验算，许用应力均需乘以抗震许用应力调整系数KL；

3) GB/T 50761地震作用略高于SH 3048, 整体抗震可靠性优于其他产品标准，符合抗震设防目标；

4) 提出了基于石化静设备结构特点的抗震体系设计和构造措施要求。

本文还结合国内外其他标准的发展，从地震动参数与反应谱、多级设防、极限状态法设计方面对GB/T 50761的发展提出展望。鉴于石化静设备地震中失效的巨大危害性，有必要借鉴国内外建筑结构抗震设计的先进思想，不断完善和提升我国石化静设备抗震技术水平。