储罐桩基基础环墙的计算及配筋

2018-07-09常广勋刘建平李韫慧

石油库与加油站 2018年2期

常广勋刘建平李鹏杨蕊李韫慧

〔1华商国际工程有限公司北京 100069；2中国航油陕西石油有限公司陕西西安 710082〕

GB50473—2008《钢制储罐地基基础设计规范》中对储罐基础型式进行了分类，给出了各种基础的适用情况，并分别在第4章和第7章内给出了基础环墙的设计方法，但未能直接说明桩基基础环墙的计算内容[1]，在规范给出的基础环墙设计计算公式中，计算环墙内各层填充材料对环墙产生的环向力时，对整个环墙高度取用了平均值，没有体现基础环墙截面上下范围内配筋面积的差异，而根据环墙实际受力情况，环墙截面在不同高度范围处的内力并不相同[2]。另外根据实测数据及理论分析，罐壁的径向位移远比环墙的径向位移大，环墙底截面的变化对环墙的径向位移、侧向压力的分布和环向力都有影响[3]。在桩基础环墙计算中，环墙高度取值直接影响到环向力的计算和环墙环向钢筋的配置。本文从桩基基础环墙受力角度进行分析，按照规范要求，给出桩基基础环墙高度的取值建议，结合工程实例，比较了高度取值对环向内力设计值的影响，并根据工程经验提出了桩基基础环墙竖向钢筋配置的建议。

1 桩基基础环墙受力分析

当天然地基承载力特征值小于基底平均压力、地基变形不能满足规范规定的允许值、地震作用下地基有液化土层，且地基处理困难或不做处理时，工程中一般采用桩基基础，如图1。

图1 桩基基础

根据图1可知，环墙内通常回填中粗砂，钢罐罐壁放置在环墙上方，上部竖向和水平荷载通过环墙和筏板构成的整体结构向下传递，再通过桩或桩与筏板传递给大地。通过上面储罐桩基传力途径分析可知，环墙对储罐桩基能够有效传递上部荷载至关重要，其设置的目的主要是能够保证环墙与筏板构成一个有效的整体，从而能够有效地传递上部荷载。

环墙承受的主要作用力为自重荷载，储罐内介质自重引起侧向荷载，环墙内填料自重荷载引起侧向荷载，钢制储罐底板与环墙径向变形差引起的侧向荷载，罐壁传递至环墙的竖向荷载，筏板对环墙基础的径向约束荷载，筏板或桩对环墙竖向的约束荷载，筏板或桩对环墙转动的约束荷载。其他作用包括温度作用、收缩、徐变、筏板基础不均匀沉降引起的局部作用等，如图2。上述作用中，对环墙设计环向力起主要控制作用的为储罐内介质自重引起的侧向荷载。罐壁传递至环墙的竖向荷载主要用于确定环墙宽度。根据试验资料，其他作用均能引起外部荷载产生内力的降低或衰减[4]，故规范中通常通过构造设计来考虑其他作用的影响。筏板或桩对环墙的约束荷载对环墙受力有利，规范未规定其直接计算方法。笔者认为，在环墙设计中，厚度较小的筏板可以忽略该约束的影响，保守地按照规范规定方法进行环墙设计。

图2 环墙受力示意图

2 规范计算方法中环墙高度取值及建议

目前储罐桩基基础设计中通常按照筏板和环墙分开设计的方法进行。环墙高度取筏板高度加筏板上环墙高度进行计算。

环墙环向拉力设计值分为充水试压和正常使用两种工况的较大值，充水试压时：

正常使用时；

其中，Ft为单位高环梁环向拉力的设计值，kN／m；γW，γL，γm分别为水、储存介质、垫层的重力密度，kN／m3；γQW，γQL，γQm分别为水、储存介质、垫层自重的分项系数；k为环梁内侧压力系数；R为环墙中心线半径；hw，hL分别为环墙顶面至最高储水面高度或储液面高度；h为环墙高度。

环墙高度对环墙拉力设计值有一定的影响，环墙高度越高，环向拉力设计值越大。下面通过对一座2 000 m3钢油罐桩基环墙分析对比环墙高度对环墙拉力的影响，具体计算参数为：R＝7.25 m，k＝0.33，γW＝9.8 KN／m3，γL＝7.3 KN／m3，γm＝19 KN／m3，γQW＝1.1，γQL＝1.3，γQm＝1.2，hw＝hL＝13.07 m，h分别取为1.3 m（环墙顶至筏板顶）和1.9 m（环墙顶至筏板底）。

表1 不同环墙高度计算环向拉力的比较

从表1可以看出，环墙高度取值（含不含筏板厚度）影响环墙环向拉力设计值，影响幅度超过5%，故笔者建议在环墙设计过程中，当筏板厚度较大时（参照CECS138：2002《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》第5.1.9条，筏板厚度与环墙厚度不小于1.5），环墙高度按照环墙顶至筏板顶高度取值。

从上面桩基基础环墙受力分析可知，按照环墙顶至筏板顶高度取值，假定环墙锚固在筏板上表面，环墙根部存在剪力和弯矩内力，尚需对环墙与筏板交界面进行抗剪和抗弯复核。由于环墙直径相对环墙厚度很大（30～60），故可以选取单位长度环墙按照直线墙进行抗剪和抗弯承载力复核。

抗剪承载力复核：

其中，F1为单位长度环墙计算剪力，kN；ft为混凝土抗拉强度设计值；b为环墙单位长度，可以取为1 000 mm；h0为环墙有效高度＝环墙厚度－环墙保护层厚度－竖向钢筋半径；fyv为拉结钢筋抗拉强度；Asv为拉结钢筋单筋截面面积；s为拉结钢筋间距。

抗弯承载力可以简化按照单筋截面进行复核：

其中，M2为单位长度环墙计算弯矩，h0为环墙有效高度＝环墙厚度－环墙保护层厚度－竖向钢筋半径；fy为竖向钢筋抗拉强度；As为竖向钢筋截面面积。

环墙中F1、M2相对环墙抗弯及抗剪承载力较小，除高大环墙需特别复核验算外，竖向钢筋及拉结钢筋一般按照构造配置即可。

3 桩基基础环墙竖向钢筋配置建议

通过实例计算，环墙的径向位移沿竖向的分布趋于直线，环墙的竖向弯矩很小，竖向钢筋一般按照构造设置[3]，竖向钢筋的最小配筋率不小于0.15%，钢筋直径宜为12～18 mm，间距宜为150～200 mm，且竖向钢筋宜为封闭式[1]，如图 3。

图3 环墙配筋示意图

若为桩基基础，环墙竖向按照上述配筋，势必会造成环墙竖向钢筋与筏板钢筋交叉，如图4。因为竖向钢筋为封闭式，现场钢筋绑扎施工非常困难，往往为了满足封闭要求，竖向钢筋不得不切断后再做搭接连接，既破坏了竖向钢筋的整体性，又增加了竖向钢筋用量；根据本文中前面分析，笔者认为，环墙基础内竖向钢筋可以按照国家建筑标准设计图集16G101－3中墙身竖向分布钢筋在基础中构造做法，采用直接锚入筏板基础内的做法，竖向钢筋不采用封闭式，而采用“π”形开口配筋，见图5[6]。水平弯折长度不要过长，满足图集中最小要求即可（6d且150 mm，d为竖向钢筋直径），以便于竖向钢筋绑扎施工。