【摘要】從基礎必須適合上部結構構造特點的要求出發，分析了大型油罐的結構構造特點及其對基礎的要求。探討了大型油罐的靜強度及動力，提出了大型油罐基礎應該具備的技術性能和構造組成。
　　【關鍵詞】大型油罐；靜強度；動力；分析
　　眾所周知，油罐基礎是為上部罐體服務的，它必須適合于罐體結構構造的特點和要求。從這一基本原則出發，要想得到一個比較理想、安全可靠且經濟合理的大罐基礎，就必須首先了解大型油罐罐體的結構特點和要求，以便結合具體工程條件（罐型、地質、建材、環境、工藝要求等）進行基礎設計。不顧及罐體結構構造特點，只從基礎結構角度考慮問題而完成的設計，不能算作好的設計。為此，下面首先介紹一下大型油罐的結構構造特點。
　　1．大型油罐的結構構造特點
　　大型油罐是一個盛有萬噸乃至10萬噸以上可燃油液的薄壁容器，它是鋼制立式筒形的，浮置在基礎頂面上。圖1是某10m3油罐的構造示意圖，它主要由罐壁、底板和浮頂三部分構成。罐直徑80m，高21．8m，由高強度鋼板焊接而成，罐壁壁板厚32．5～12mm，罐底底板厚2l～12mm。罐壁底部以上形焊縫與底板的環形板相焊接，罐壁上部以型鋼做成的抗風圈加強。罐浮頂是用薄鋼板（4．5mm）焊成的盤型箱式密閉結構，像船一樣浮于罐內油液液面上，隨著油液液面的升降而起落。由于浮頂幾乎全部消除了罐內的氣體空間，而且浮頂與罐壁之間的環形縫隙用彈性密封裝置封嚴，從而大大減少了油品揮發損失，并增加了安全性。
　　                      
　　                                                           圖1大型油罐構造示意圖
　　現對大型油罐的結構構造分析如下，從而探求它的結構特點。
　　（1）大型油罐是立式筒形鋼板焊接結構，其高度及筒壁直徑都很大，但高度僅為直徑的1/3左右，整體呈短粗圓筒狀；罐體鋼板厚度的最大值為32．5mm，與罐高或直徑相比，比值都很小，且筒壁上部開口不封頂，故罐體整體柔性大、易變形；它幾乎沒有調整基礎地基不均勻沉降的能力，反之，基礎地基各種形式的不均勻沉降，幾乎都會對罐體產生不同程度的影響
　　（2）罐壁的垂直柱面鋼板，與罐底板的大致水平面鋼板，在罐體下部正交焊接成一體，該部位是上形焊接結構，在靜或動液壓力作用下，受力非常復雜且不明確。它不但受梭位升降的影響非常顯著，形成所謂低周高應力狀態，而且對基礎地基的不均勻沉降和地震作用反應極敏感，油罐的惡性事故大多由此而生。所以，此處是罐體的關鍵部位之一。
　　（3）罐壁垂直度或水平斷面圓度的偏差，對浮頂在筒壁內上下升降的靈活性有直接影響，偏差過大會使浮頂升降功能受阻。如果沒有發生地震，而且在罐體安裝精度符合規范要求的情況下，造成這一偏差的主要原因是基礎地基的不均勻沉降。
　　（4）大型油罐的底板是直接在基礎頂面上鋪設、排板施焊的，因而有兩個問題值得注意：其一，鋼板的焊接變形是不可避免的，由于底板面積很大，為多塊鋼板焊成，所以實際的底板在焊成后并非是一塊平整的薄板，而是充滿局部凹凸變形的大致平整的薄板。這些凹凸變形或局部鼓起，如果不能與下面的基床緊密貼合，將會在液柱壓力作用下，產生有害應力或造成變形集中（皺折）。其二，底板下表面無法進行防腐涂層旅工，只能從基礎構造上設法改善底板的潮濕易蝕環境。在這個問題上，基礎材料的化學性質、地下水位與底板的距離、底板與場地地面的距離、建罐地區的氣候環境、地下水的侵蝕性等，都是設計中不可忽視的因素。
　　（5）罐體是鋼板焊接結構，母材和焊縫存在脆性斷裂的危險性；隨著罐體的大型化，罐壁鋼材厚度加大，選用的材料屈服極限增高，這二者都使得鋼材沖擊韌性下降，從而加劇了上述危險性。另外，地基的不均勻沉降、地震作用、罐板腐蝕等因素，也可能誘發上述危險的發生，事故先例已有多起。
　　（6）大型油罐對基礎地基的主要作用荷載是罐體及儲液自重，該作用荷載的特點是分布面積大、荷載強度大、對地基的影響深度大、一般地基因之產生的沉降量也較大。其中，不均勻沉降反過來會對罐體受力狀態和使用功能產生不良影響。
　　2．大型油罐基礎應具備的技術性能
　　大型油罐基礎的主要功能是支持罐體。在罐體設計、建造和使用均屬正常的情況下，基礎對罐體可靠度起決定作用，基礎損壞失效所造成的嚴重后果是不堪設想的。鑒于此，罐體對基礎最基本的要求，是在結構可靠度方面與它保持一致，或具更高水準，即基礎必須具有足夠的安全性、適用性和耐久性。
　　2．1穩定性
　　這包括兩個含義，一是將地基強度考慮在內的基礎地基的整體穩定性和罐壁正下方基礎地基的局部穩定性；二是指基礎本身在靜力或地震作用下，本身不會酥碎、崩坍、滑移，而能支持罐體的能力。
　　2．2均勻性
　　鑒于大型油罐罐體的大柔性、易變形、易受基礎地基沉降變形影響，基礎必須具有足夠的整體穩定性、均勻性和足夠的平面抗彎剛度，以確保罐體的確定形狀和使用功能。這是指構成基礎的材料及其強度剛度等物理力學性能，就支持罐體的部分而言，它應是均勻的，即沿水平方向分布投有大的差異。
　　2．3平面抗彎剛度
　　鑒于罐壁正下方基礎地基的不均勻沉降，將對罐壁的圓度和垂直度、罐下部上形焊接節點的復雜高應力狀態造成惡劣影響，基礎構造在此部位的剛度和強度應予以加強。例如按照具體地質狀況，利用鋼筋混凝土環墻或碎石環梁進行加強等。這是指基礎作為一個整體，抵抗和調整地基不均勻沉降的能力。
　　2．4基床豎向抗力剛度（基床系數）
　　鑒于罐底板焊接變形的客觀存在，為防止在液柱壓力下造成變形集中或底板皺折，避免底板母材或焊縫產生有害應力，支持底板的基床應富于柔性，以吸收焊接變形+使底板在上部垂直液壓作用下，緊密附著在基床上。為此，底板基床一般以砂石材料分層鋪筑壓實，其豎向抗力剛度系數（基床系數）一般控制在l00N／cm左右。若采用筏片式基礎（一般筏片混凝土板是支承于樁頂上的）．亦應在筏片混凝土板上面鋪設柔性砂石墊層（厚30～50cm）。這是一個控制基床剛柔程度的定量指標，是指基床在靜力作用下，豎向產生單位沉降需施加的壓力強度值。這一指標，按照消防法的規定，對碎石環梁大于或等于200N／cm，對底板基床的砂石墊層大于或等于l00N／cm。
　　2．5防護性
　　鑒于油罐存在泄漏的危險性，基礎的結構構造對此應該有所防范。如采用不怕浸泡和沖刷的構造，以在漏泄時，基礎仍能保持必要的支持力，確保罐體不致傾倒；采用隔油防水層，以防止底板精泄的油或污水流入地層，浸泡地基并污染地下水資源；設置漏油信號管，使底板漏泄的油液能從基礎中流出，以便檢查，發現泄漏可及時采取應急措施。這包括對于腐蝕環境可能造成底板銹蝕，罐體萬一破裂可能對基礎地基產生沖刷、浸泡和環境污染等有所防護。
　　3．靜強度及動力相應分析
　　3．1模型的建立
　　雖然大型油罐結構除底架部分橫梁外均為對稱結構，但考慮到設備載荷的不對稱及轉向架牽引桿的“Z”字形布置，取整個大型油罐為離散對象，作為靜強度校核和模態計算的模型。大型油罐的底架是整個大型油罐的主要受力部件，大型油罐所承受的縱向力和垂向力都通過底架傳到其他部分。為了較為準確地了解底架的受力狀態，將整個底架全部用殼單元來模擬，同時在盡量減小工作量，但又不降低計算精度的前提下忽略了一些小筋板及小梁。司機室和側墻中設計意義上的梁用偏1、5梁單元來離散，側墻蒙皮及司機室蒙皮用殼單元來離散，采用了梁一梁、梁一板偏心連接，使其盡量接近實際的受力狀況。根據上述原則，整個計算模型共劃分10618個節點，13896個單元，其中梁單元2462個。梁單元截面特性28種，殼單元特性8種，計算模型重13400kg。
　　3．2許用應力的確定
　　大型油罐垂直靜載工況下安全系數n：1．55，計算出垂直載荷工況下16Mn、09CuPCrNi的許用應力為[d]=221MPa。壓縮、起吊等工況下把略低于材料的屈服極限的值取為許用應力，[a]=330MPa。
　　3．3計算工況及載荷
　　本次計算共選擇6種工況進行加載計算，計算工況見表1。

                            
　　
　　表1靜強度計算工況
　　注：①為垂向載荷，291×1．3KN，按集中載荷計算的設備重量，作用于對應的粱上；②為垂向載荷，360．8×1．3KN，按均布載荷計算的設備及大型油罐重，作用于底架側梁上；③為垂向載荷，t96KN，一個轉向架的重量，作用于起吊點；④為縱向載荷，1960kN，作用于牽引梁的腹板（壓縮）；⑤為縱向載荷，1530KN，作用于牽引粱的腹板（拉伸）；⑥為縱向載荷，245KN，牽引力作用于牽引座及牽引梁腹板：⑦為縱向載荷，294KN，作用于司機室前腰粱。
　　3．4計算結果
　　根據上述載荷工況，計算得到各載荷工況的最大應力及其分布位置，靜強度計算結果最大應力位置最大位移11MlPa。
　　4．結語
　　（1）用有限元方法分析大型油罐地基中的附加應力是準確可靠的。
　　（2）在大型油罐地基分析時，對于土層剛度變化較大的非均質地基，應根據土層情況，計算實際的附加應力，僅采用規范提供的理論值是不夠準確的。地基土層剛度變化越大，誤差也越大。當采用柔性復合地基處理方案時，地基中附加應力的重分布更加明顯，采用規范中均質地基的附加應力系數，會引起較大誤差。
　　（3）采用天然地基方案時，對上軟下硬的地基情況，罐下對應位置的附加應力比規范值大。對上硬下軟的地基情況，附加應力比規范值小。
　　（4）采用柔性復合地基處理方案時，在滿足構造要求的前提下，減小罐壁外側處理范圍，可以減小邊中附加應力差值，從而減小邊中沉降差。