大型油罐环形基础内力计算与分析
王立忠 钱 磊
�浙江大学岩 土工程研究所 杭州
陈云敏
� 田! ∀
摘 要 # 根据大型油罐环形基础的受力特点 , 分析了影响环形基础内力计算的相关因素 , 对目前设
计环形基础的主要方法作了 回顾与分析 , 并用有限元法分析了不均匀沉降对环形基础内力的影响 ∃ 最后指
出 #在软 弱的非均质地基中 ∃ 环基的设置和配筋率主要取决于环形基础的不均匀沉降 ∃
关健词 # 环基 土侧压力 环向力 不均匀沉降
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引 言
在软 土地 基上建造大型油罐 , 大多数是
将油罐的壁地板直接放置在钢筋混凝土环形
基础上 �以下简称环基 Γ。 实践证 明 , 采用这种
形式的基础可以防止环基 内砂垫层的侧 向变
形 , 增强地基抵抗塑性 区开展的能力 , 防止地
基边缘局部剪切破 坏或冲切破坏 , 减 少罐周
的不均匀沉 降 , 并便于调整贮罐基础中心和
边缘的差异沉降 。
目前 , 环基的配筋
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
依据 为控制最 大
环向力 。 在设计环基时 , 一般采用郎肯主动土
压力公式或根据一定的土侧压力系数来计算
环基的侧压力 , 进而求得环基 的最大环 向力
和配筋 ∃ 冯辛能 注意到了土侧压力系数 的
变化性 , 并提 出了考虑土与结构相互作用的
计算方法 ∃ 但这些计算环基 内力的方法 均没
有考虑环基下土层的不均匀性 的影 响 。 在实
际工程中 , 环基下土层 的不均匀性造成 的环
基不均匀沉降对环基 内力及 配筋 的影 响较
大 , 本文将采用有限单元法分析这一影响 。
! 环基内力计算方法综述
!∃ 环基受力分析
第一作者 二王立忠 6Υ 6 年 ! 月出生 男 副教授
收稿 日期 # 男ς 一 Νς 一 !
� ς 】0Η 仍ΑΛ 访 〔9 Π ΑΛ4 以Μ: 0 架刘Γ,Ω: 2!6 , 1 9 ∃ � 工业建筑 熨刃年第 !6 卷第 � 期
环基的受力情况较为复杂 # 它除 了承 受
罐壁竖 向荷载和地基反力外 , 还受到环基 内
外 土侧压力的作用 , 如图 所示 。
艳艳当己己
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尸Ξ眺皿
ΨΦΖΓ
下玉于几
图 Μ 环梁基础受力示意
认
喊才‘卞般、挤[公一少
图 ! 环梁内力示意
在工程实测 中发现 , 环基 内侧压力在充
水预压 荷载作用下 , 其压力 图形呈 曲线分
布 # 最大侧压力出现在环基的下部 , 其次是在
中部 , 而在环基的顶部 区段 , 侧压 力值为最
小 。 在充水预压时 , 每加一级荷载后 , 与地基
有一个沉降发展和稳定的过程相类似 , 环基
内侧压力也有一个发展和稳定的过程 。其规
律为 # 在每级荷载施加以后且保持不变情况
下 , 侧压力将随时间的推延而不断地增长 , 最
后达到稳定值 。 而在卸载过程中 , 与预压加 载
相类似 , 侧压力的衰减也有一个时间上滞后
的现象 ∃ 虽然外荷已经卸完 , 但 由于砂 垫层经
过预压后 , 存在着残余应力 , 环基直径方 向有
弹性 回缩 , 对砂垫层有径 向的箍紧作用力存
在 , 因此仍有较大的侧压力存在 。
油罐经充水预压后 , 环基 内的砂垫层 的
内摩擦角有 了大幅度的提高 , 因此对于环基
最不利的受力状态是 出现在充 水预 压过 程
中 , 而不是 出现在以后的投产使用过程 中 。 因
而 , 在进行环基设计时 , 其最不利的荷载条件
应为最大充水预压荷载 , 此时的侧压力才是
进行环基 内力计算时应采用的荷载条件 。
环基的内力主要为环向力和径 向弯矩 ,
这两种内力均由土侧压力和由其产生的扭矩
引起的 , 其计算简图见 图 ! 。 其中环向力 是最
主要的内力 , 环基 的设计及配筋主要由它来
决定 , 其余则按构造要求来配置钢筋 。
!∃ ! 环基内力计算方法回顾
在不 同时期对环基环向力及其本筋的主
要计算方法 #
!∃ !∃ ς ∴ 规定 法
按炼油厂基础设计规定 �ϑ &] Ν Σς 一 ς∴Γ 进
行计算 。
一般地基土 # 当环基高度不超过 !∃ ,+0, 且
地基土各层均能满足容许承载力要求时 ,
) ⊥ �Ν ∃ Σ Σ万_ =Γ价 ( � Γ
软土 # 当地基为饱和软弱土 , 且罐容积等
于或小于 Σ Ν� Φ心Π Ξ时 ,
) ⊥ �Ν ∃ Σ Σ& _ =人( �!Γ
∋ ; ⊥ Τ )⎯ ( #
式 中 了⊥ 一一 环基每米高环向力 , ΝΟ 1 ⎯城
&— 环基顶面至罐 内最高液 面 高度 , 城
价— 中等密实地基 , 边界 为半 铰接的环基环向力的计算系数 α
长— 饱和软土地基环基环 向力计算系 数 α 地 基 容 许 承 载 力 为
Ν∃ ΥΟ 1 ⎯Π � 时 , 取 Ν∃ ςΣ α 地基容 许
承载力 为 +Ο1 ⎯Πϑ 时 取 Ν∃ ∀ α 中
间值内插 α
犬β 安全系数 , 取 ∃ ∴ α凡— 受 拉 钢 筋 的 设计 计算 强 度值 , +−1 ⎯< 讨。
!∃ ! 洛阳院法
石化总公 司洛 阳设计研究 院在上 海 软
土地基上对大型油罐进 行多 种项 目的 实测
后 , 所提 出的经验公式并按 《钢筋 混凝土设
计规范》�)] Ν 一 ∀∴Γ 进行计算 , 主要用于软土
地基 #
) ⊥ Π Η Τ试= _ Ν ∃ Υ川( ��Γ
凡 ⊥ Ν ∃ ! ! _ Ν ∃ Ν Σ& _ Ν ∃ : Μ= �∴Γ
∋ # ⊥ Τ )⎯ ( ; �ΣΓ
大型油雄环形基础内力计算与分析— 王立忠等
式中 Π Η— 系数 , 对中粗砂取 Ν∃ ΥΟ 1 ⎯Λ才α=— 环基高度 , 试月— 油罐充水高度 , 联Τ石一一一 环基内侧砂垫层 平均 侧 压 力
系数 。
!∃ !∃ � 6 Σ 规范法
即中华人 民共和国行业标准《石油化工
企 业 钢 储 罐 地 基 与 基 础 设 计 规 范》
�,& �−Υς 一 6 ΣΓ�简称 6 Σ 规范Γ 。
规范中规定 , 当罐壁位于环基顶 面时 , 环
基每米高环向力设计值可按下式计算 #
只二勿χδ 下δ= δ 十饭刁沪Γ犬尹 �Υ Γ
∋ ϑ刊离耳 �∀Γ
式 中 .Α— 环基每米高环 向力设计值 ,Ο 1 ⎯城
彻 ,几— 分别为水的重度和环基 内各垫层的平均重度 , Ο 1 ⎯Π� α
伽俄冲一 分别为水和环基 内各垫层 自重的分项系数 , Ε:δ 可取 ∃ 枷可
取 ∃ Ν α
= δ— 环基顶面至 罐 内最 高储水 液面高度 , 叫
Τ— 环基侧压力 系数 , 一般地基可取 Ν∃ �� , 软土地基可取 Ν∃ Σα
(— 环基中心线半径 , 城∋ϑ— 环基单位高环 向钢筋截面面积 , Ρ ! α
下‘一一 重要性系数 , 取 ∃众
∃众一钢筋抗拉强度设计值 , 1 ⎯Π Π! ∃
!∃ ! ∃∴ 有限差分法 「习
环基所受到的土侧压力的性质与环基在
受力后产生 的位移 的方 向和大小有关 ∃ 环基
在外荷载作用下 , 将产生微小的环向变形 , 各
剖面也会产生相应的径 向位移 。但不 会达 到
使环基内侧产生 主动土压力 , 外 侧产生被 动
土压力的程度 。 实测资料发现 , 环基内侧 土压
力是介于主动土压力和静止土压力之 间的 ,
外侧土压力是介于静止土压力和被动土压 力
之间的 。 因此 , 环基土侧压力按朗肯土压力公
式来计算是不合理的 。 而且土侧压力系数也
不是一固定值 , 而是沿着环基高度方向发生
变化的 , 工程情况不 同 , 变化情 况也不 同 。 所
以 , 侧压力 系数取一 固定值来计算也是不合
理的 。
ΞΞΞΞΞΞΞ 一 ΞΞΞ
,,,,, ∃
&&&&&
一一 ε 一。。
环梁 57 幻Ο」>Λ 地基模型
一仁一�一�卜�一少州业图
图 环梁微分单元
!一 ∀ , 十 旦丛# ∃% & ∋一 天 十 旦互 ∃% & � 一。, 十 旦旦三 ∃%
∃ 义 ∃ 义 一 ( )
为了考虑这些影响 , 冯辛能!!∗ 建议采用文
克尔地基模拟以上情况 , 如图 � 所示 , 图中的
弹簧代表基床系数 + 以静止土压力为基 准 , 当
环基产生向外的径 向位移 ,% 时 , 则
内侧土压力 − 、 . 戈召 /0 一1叭 2/3 4
外侧土压力 5、. 天公甄 6 长砂器 2// 4
式 中 凡 , % 法— 环基内、外侧壁高度为 %处的静止土压力系数 &
1 , 凡万—环基 内 、 外侧壁高度为 %处的基床系数 &
7 + %, 7方 , 一一 环基内 、 外侧壁高度为 %
处的土的竖向压力 。
这样 , 作用于环蒸壁高为 % 处的土侧 压
力则为 0
叼0 . 夕/0 一夕, . 凡/月 !% 一 1面任、 一 21 8 0 6 1劝,&
2/∋ 4
经过 以上处理 , 环基所受到 的土侧压力
就表示为径向位移 , 的
函数
excel方差函数excelsd函数已知函数 2 f x m x mx m 2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载
+ 从环基 中割取
工业建筑 / /尧珍年第 ∋9 卷第 � 期
一微分体 , 并取流动坐标 Ζ, Ε, # 在微分 体中面
的中心 , 则其受力情况如图 ∴ 所示 。 在 进行环
基内力计算时 , 可在 环向上取宽度为 的条
形单元 , 然后根据弹性壳体理论 , 即从 考虑壳
体微分体的平衡条件 、几何条件和物理条件
着手 , 建立起壳体弹性 曲面的基本微分方程
�假定圆柱形壳体的纵向力为零Γ #
/ 夕�∴Γ _ ∗= �ΖΓ ⎯( 沙⊥ 叼�ΖΓ � �Γ
式 中 / — 环 基 的 圆 柱 刚 度 , / 二∗= Χ�ΖΓ
!�Μ一拜勺’
〕一环基的径 向位移 α( ,= �Ζ Γ‘— 分别为环基的半径和厚度 α∗= �ΖΓ 二 二甘 , #“ , , 二 、抉。二弟竿 Ε— 环基 的弹性恢复力 , 与位移( ‘ 护 ’ 一 一 ‘ · 一 Ρ 一一 · , 一 Ρ
Ε成正比 , 方 向朝内 。
可用有限差分法对此 方程进行数值计
算 ∃ 从工程实际角度来看 , 冯辛能的方法考虑
的因素较为全面 , 但其最终 目的仍为计算控
制最大环向拉力 ∃
元 �通常 , 划分为 !Ν Ρ �Ν 个单元就可以满足
计算要求 Γ , 相应地 , 环基底土层也划 为相 同
数 目的 单元 , 求 出环基 和 土层 的总刚度 矩
阵 , 并合成计算总刚度 , 然后用有限元法编制
程序进行计算 。
为了简化计算 , 突出重点 , 我们将不考虑
土侧 压 力 的作用 �其 对不均 匀沉 降影 响不
大 Γ ∃ 这样 , 每个梁单元只考虑竖向位移和转
角 , 单元内力也只算竖 向剪力和弯矩 α 由于 土
层单元无转角位移 , 在合成计算总刚度时 , 土
层总刚度要求进行 扩充 , 扩充后 的转角 位移
项全部为零 ∃
在处理外荷载矩阵时 , 可将单元上的分
布荷载按简支梁向单元 两端 简化 , 而不是求
出固端力 。 这样虽有误差 , 但误差不大 , 而且
可以避免极为复杂的计算 过程 ∃ 若按求固端
力的方法处理外荷载矩阵 , 则计算冗长 , 精度
也提高不了多少ΜϑΜ:
� 环基不均匀沉降对内力的影响
由于环基半径较大 , 所跨越 的土层性质
不同 , 难免会产生不均匀沉降 , 环基产生 的不
均匀沉降会在环基内产生较大 的内力 , 使环
基 出现裂 缝 , 从而可能影 响环基 的正 常使
用 ∃
目前在工程中对环基的不均匀沉 降值的
大小作了较为严格 的限制 , 按工程 设计要
求 , 油罐环基任意直径方向允许的沉 降差不
大 于 Ν∃ :: �� / �/ 为油 罐 直 径 Γ。 以 这 个 限
值作为控制指标来计算环基中产生的内力和及
配筋 , 并 与按前述正常情况下计算的内力及
配筋作一比较 , 取大者作为环基的设计值 。
本文将环基作为文克尔地基 上的弹性基
础梁 , 基底各处土层采用不 同的基床 系数来
模拟土层的不均匀性 , 并通过调 整软 弱土层
的基床系数来求得所要求的控制沉降差 和相
应的环基 内力 。 将环基划分为一定数 目的单
∴ 计算实例与分析
将文献【 , !φ 提到的上海炼油厂 Ν ΣΝ 号油
罐作为算例 , 如图 Σ 所示 。先用第二节的各种
方法计算环基的最大环 向力 , 同时用有限元
法计算不均匀沉降引起的内力 。
Ν Σ Ν 号 油 罐 �浮 顶 罐 Γ容 积 为 ! Ν� Φ心Π 甲,
罐 内 直 径 为 ∴Ν ∃ Υ� +0, 环 基 净 高 为 !∃ ςΣΠ,
充 水 试 压 高 度 为 � ! 伽Λ0 刁 基 础 结 构 形
式见图Σ 。 环基 内分两层填土 , 砂垫层在上 , 冲
填土层在下 。
鑫 / ⊥ ∴Ν ∃Υ歹丽艺兰兰兰资竺兰
穴匕州∃鼠ς
图 Σ Ν 匆号油魄环梁基础示意
由参考文献【Μφ 中查得 , 冲 填土 厚 众几
其 基床系数 Τ 等于 !∴ Σ Ν Οε< ⎯Π, 静 止 土 压
大型油摧环形基础内力计算与分析— 王立忠等
力系数 凡 等于 Ν ∃ Σ�ς α 其上的砂填层厚 ∃ ςΣ +0,
基床系数 Τ 等 于 6 ΥΝΝ Οε< ⎯Π∃ 静止 土 压 力
系数 凡 等 于 Ν∃ �ς 。 将 环基全 高分成 Ν 等
份 , 用有限差分法 求出平均环 向力 、 配筋 、 土
侧压力及其系数 。
在有限单元法中 , 将环基划分为 �Ν 个单
元 , 对其不均匀沉降产生的竖 向位移 、 转角 、
剪力和弯矩作一计算 ∃ 计算时 , 环基所受竖 向
荷载为 6 Υ Ο 1 ⎯Π �按环基下压 力反 算 , 并 已
考虑了环基 自重 Γα 正常基底土层的基床系数
取 ∴ γε< 风 软 弱 土 层 的 分布 占环 基 周 长
的五分之 一 , 其基 床 系 数 先取 Μ:: Οε< ⎯ Π∃
然后再作调整 , 直至不均匀沉降值达到控制
值 �Ν∃ :: �� / , 此算例中为 Ν ∃ � ∴Π Γ , 求出此 时
的内力值 ∃ 再与按 正常计算的内力 和配筋作
一对比 , 取大者作为控制内力 。
计算结果表明 , 按有限差分法算出的 环
基径 向位 移 �见 图 ΥΓ 呈下大 上小 的直线分
布 , 位移 的值很小 , 约为 ∃ � 一 ∴∃ ! 0 ΜΜΜΜ, 因此
产生的竖 向弯矩很小 。 环基 的环 向力 �见 图
ςΓ 也呈下 大 上小 的直 线分布 , 变化范 围 为
ςΝ一 Σ ΣΝΟ 1 之间 , 约为 Υ� ∃ ΥΡ 6 ! 6 ∃ ςΟ 1加氏
环基 的 土 侧 压 力 和 土 侧 压 力 系 数 曲 线
�图 ∀ 和 图 6Γ 有突 变 , 这是 由于 环基内侧垫
层 分 两层 铺 设 而 引 起 的 ∃ 侧 压 力 系 数
大小的大致范围在 Ν ∃ ∴ Ρ Ν∃ Σ 之 间 , 这与实
测值很接近 ∃
性 , 可作设计时的参考 ∃ ς∴ 规定法配筋值之所
以较大是因为采用的钢筋强度设计值的规范
不同 。
在有 限单元法 中 , 当软弱土层的基床系
数调整 为 6∀� Οε < ⎯Π 时 , 环基不均 匀沉降值
达 到 控 制 值 : ∃ � ∴Π 书 具体计算 结果 如 图
Λ: 一图 � 所示 # 环基的最大沉降值为 Ν∃ !� ∀Π,
最小沉降值为 Ν , Ν∴ Πα 环基的转角位移最大
一一 # 一火 一一! � ∴ Σ
叼Ρ
图 Υ 环基径向位移 Ε
一一 α一气 一一! �∴ΣΥ∀ς6 Ν
图 ∀ 环基侧压力系数 Τ
刽别引引列介司撤。
表 环基环向力及配筋计算结果对比与分析 ηηηηη
计算方法 地基
条件
软土
软土
软土
软土
环向力
Ο1 ⎯Π
∀ Ν ∃ ς Σ
Υς ∃ 6 ∀
6〔泛 ∃ 6 ς
∀Σ6 ∃ ∴ς
配筋值
Ρ 平
∀沙树 ∃ Υς
ΝΝ !�ΦΓ �� 幻 《犯 义旧 日】Γ
)飞1
图 ς 环基的环向力 )序号
Μ,山飞∴尸、αΝ∀只6
Χ
ς∴ 规定法
洛 阳院法
6 Σ规范法
有限差分法
由此 可见 , 用有 限差分 法得 到的环 向力
介于 ς∴ 规定法 与 6Σ 规范法之 间 , 而配筋值
小于上述两者 的配筋 , 因此具有一定 的可靠
,Ν犷丽一丽飞了丽布万而价谕
尸瓜1
图 6 环基内侧土压力 尸
注 #图 Υ 一 图 6 中 0 为沿环基剖面差分点数
工业建筑 望关Γ年第 !6 卷第 � 期
可 达 Ν∃ ΝΝ Υ 班Η α 环基受 到的 最 大 剪 力 值 为
! ΣΝ Ο1α 最大 弯矩 值为 66 Ν�Γ Ο1加比 可 以 看
出 , 由软弱 土层 引起的环基位移 和内力值均
较大 , 在环基的设计中是不容忽视的 , 环基配
筋应考虑此时的最大剪力和弯矩值 ∃
而 由上述环向力和其配筋值反算的弯矩
值 , 最 大可达到 ∴�Φ巧Ο1 ⎯Π, 远小于按不 均匀
沉降算出的弯矩值 6 6� ΦΓ Ο 1 ⎯Λ氏 而且还未计及
剪力的配筋 。 由此可见 , 环基不均匀沉降引起
的形基内力非常大 , 如果对油罐地基处理把
握不 大 的话 , 应 考虑 不均匀 沉降带来 的 影
响 , 并按此进行设计和配筋 。
Σ Ν Σ !Ν !Σ �Ν �Σ
图 Ν 环基不均匀沉降
八八八⎯⎯⎯ ηηη
Σ 结 论
�ΜΓ 因为环基的受力很复杂 , 而且影响其
受力的因素也较多 , 尤其是土侧压力的计算
和环基内力的计算方法的选择这两者的影响
最大 。如何考虑油罐基础下的地基条件及对
土侧压力系数的取值仍然是值得进一步研究
的课题 。
�!Γ 当油罐地基受力性能较好时 , 用有限
差分法计算最大环 向控制力 , 力学概念较为
明确 , 便于设计人 员根据计算结果选择合适
的配筋 , 这样就方便了设计 ∃ 而且所求出的侧
压力系数的大小和分布接近实测情况 。
��Γ 环基不均匀沉降对环基 内力影 响很
大 , 在非均质软弱地基上会成为环基的设计
的决定性因素 ∃ 同时不均匀沉降对环基 内力
影响的计算也是 一个较为复杂 的课题 。 在实
际设计油嫩环基 时 , 尤其是在非均质软弱地
基上 , 应考虑环基不均匀沉降对环基内力及
配筋的决定性影 响 , 而不应简单地按规范推
荐的方法进行设计计算 。
Ν∃!ΣΝ∃!Ν∃ ΣΝ∃ Ν∃ΝΣΝ
日谈
属:权东
; /3 / ; 加 ∋; 刃 � ;
图 // 环荃的转角位移
基
< , 力
/月刀】
, 刃
3
一刃】
一 /侧洲4
一 !酬)4
=== > 广广一一 丫丫
/3 /; 加 ∋; �3 �;
图 /∋ 环基所受的剪力
+++ > 八八七七? 习习≅色Α一、署
图 /� 环基所受 的弯矩
注 0 图 /3 一 图 /� 横坐标为沿环基周长的单元划分数
参考文献
冯辛能 + 大型贮油钢罐环梁基础的内力分析 + 土木工程
学报 , /9Α 《∋4
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Χ( 诩ΔΕ ‘ Φ + Γ。朋山 ΗΙϑ Κ Λ Φ!Μ』邪 /; ΜΝ ∃ Ο 巴Ι即
热莫金奇 Χ Π 著 , 徐芝纶译 + 弹性理论 + /Θ /
陈树棕 + 钢储旅基础环墙的计算 + 特种结构 , !卯Ρ , /双/4
丁皓江等著 + 弹性和塑性力学中的有限元法 , 第二版 + 北
京 0机械工业 出版社 , /卯 ∋
大型油罐环形基础内力计算与分析— 王立忠等