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儲罐地基變形沈降計算

作者:鎮田機械 时间:2019-05-08 01:38
儲罐地基變形沈降計算 1.儲罐地基变形规律与特点 钢儲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:

儲罐地基變形沈降計算

1.儲罐地基变形规律与特点

钢儲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儲罐,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,因此必须研究儲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儲罐不致产生破坏危险,可是从国内外儲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儲罐破坏机理的关系。从儲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)。

儲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座儲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,仅呈平面倾斜的儲罐基础,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。

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(1)儲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儲罐,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)儲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儲罐地基最终沉降量;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,因此根据儲罐工程实测资料分析,可将式(4-26)写为

S。=9,·S.(4-26a)

式中g,——考慮地基側向變形及其影響因素的經驗系數;Sa、Sa和S.可由實測的S~:曲線推算;9。值可從推算的S。值和理論計算的5。值來確定。

2.儲罐地基变形允许值控制标准

儲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,提出儲罐地基变形允许值控制标准的建议。

(1)平面倾斜(儲罐整体倾斜)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,儲罐倾斜小于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,建议儲罐地某变形允许值按表4-2选用14.31:

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(2)非平面傾斜(罐周邊不均勻沈降),罐壁本身剛度可減少罐周不均勻沈降,但罐周差異沈降仍是産生罐壁次應力和橢圓度的主要影響因素。這是因爲,與罐周不均勻沈降相應的傾斜是因爲淺層土産生剪切變形引起的,所以也是相當危險的。橢園度過大將影響浮頂自由升降,甚至造成事故。罐周邊沈降通常按罐周等分設置水准觀測點,進行水准測量。如果罐體傾斜,但保持在同--平面時,測出沈降,對比其相應周長,可構成一個正弦曲線,從理論上分析,正弦曲線表示偏差程度,即表明微分變形是否會使罐體達到破壞程度。

沈降曲線呈現峰和谷,這就反映了罐周有扭曲變形。對浮頂罐控制罐周不均勻沈降尤爲重要。建議按下式估算

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(3)罐中心與周邊沈降差(罐基礎錐面坡度),罐底在徑向是特別柔性的,這與罐壁能容許大的沈降有關。爲便于向罐周邊排出儲液,其主要問題是對罐底向下(或向上)拱度的准確估算。如果計算拱度不大于初始拱度將不産生過大的拉力,罐就能正常使用,爲了預估造成損壞的不均勻沈降值,應采取減少底板拉力的措施,以避免節點焊縫應力過大,可在罐中心采用預擡高的辦法來補償預估沈降。

目前工程上为了避免儲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儲罐底板容许变形值。可按下式估算

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這是一種簡化方法,根據工程實測反算較爲符合實際。

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。儲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余座儲罐实测资料,提出了儲罐地基不均匀变形的计算方法和控制指标。儲罐整体倾斜量按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。

软弱地基上的儲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儲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,挖沟排挤法是一种儲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座儲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.地基壓縮層計算深度的確定

(1)地基壓縮層計算深度的確定,按現行規範規定地基壓縮層下限的計算深度爲a,應滿足下式,並考慮相鄰荷載的影響。

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若采用附加壓力與土的自重壓力的比例確定地基壓縮層的深度,即P,=0.1P。作爲控制計算深度(簡稱應力比法),(P、P。分別爲基礎底面下土層深度:處的附加壓力與土的自重壓力),除計算繁瑣外,還存在以下問題:

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

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如图4-12所示,这是上海高桥某50000m2儲罐,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按地基附加壓力與土的自重壓力的比例關系來確定壓縮層深度,沒有考慮土層的構造及其壓縮性的影響。

儲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,壓縮層計算深度主要取決于基礎面積、基礎形式和土層的構造及其壓縮性,荷載只能影響其沈降量。

(2)壓縮模量的取值,考慮到地基變形的非線性性質,采用固定壓力段下的E,值必然會引起沈降計算的誤差,因此建議采用實際壓力下的E值,即

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顯然,應用上式進行計算能夠充分體現各分層土的E。值在整個沈降計算中的作用,使在沈降計算中E,完全等效于分層的E。

(3)根據現場實測資料進行沈降計算並與實測值對比得出沈降計算經驗系數。,與平均E.之間的關系,這次新規範采用了以相對變形作爲控制標准(以下簡稱爲變形比法)與實測資料的對比分析,可以看出,對于D=10m~60m的基礎,其值卻與實測相近,故采用修正變形比法。

4.地基沈降計算

沉降计算是软土地基儲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儲罐是有一定忍受能力的,但对过大的不均匀沉降就会给儲罐使用和安全造成危害。目前国内外在儲罐设计和使用时,一般都对沉降和差异沉降提出安全使用允许值。儲罐地基变形计算值,不应大于地基变形允许值。

地基变形特征可分为沉降、儲罐地基整体倾斜(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)。

儲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、儲罐基础与相邻基础较近,儲罐基础有可能发生倾斜、儲罐基础下有厚、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。

計算地基變形時,地基內的應力分布,可采用各向同性均質的直線變形體理論。其最終沈降量可按下式計算i:

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