变刚度调平在大型储罐基础设计中的应用

《建筑桩基技 术规 范 ( JGJ 9422008 ) 》[ 4 ] 提 出 : “变刚度调平设计是考虑上部结构形式 、荷载和地 层分布以及相互作用效应 ,通过调整桩径 、桩长 、桩 距等改变基桩支承刚度分布 ,以使建筑物沉降趋于 均匀 、承台内力降低的设计方法 ”。变刚度调平设 计突破传统设计理念 ,是一种新的概念设计方法 ,旨 在减小差异变形 、降低承台内力和上部结构次内力 , 以节约资源 ,提高建筑物使用寿命 ,确保正常使用功 能 。其基本思路是通过调整地基和基桩的刚度分
(5)桩基础 :该方法安全性高 ,适合于各类罐基础。
1 变刚度调平设计的基本原理
按传统基础的概念设计采用均匀布桩 (相同桩 距 、相同桩长 )基础 ,初始竖向支承刚度是均匀分布 的 。设置于其上的刚度有限的基础 (承台 )受均布荷 载作用时 ,由于土与土、桩与桩、土与桩的相互作用导 致地基或桩群的竖向支承刚度分布发生内弱外强变 化 ,会导致罐基础出现内大外小的蝶形沉降和内小外 大的马鞍形反力分布 。而这种变形与反力分布模式 必然导致底板整体弯矩、冲切力和剪力增大 ,引发上 部结构的过大次应力 ,降低使用寿命。为此本文提出 了按照变刚度调平的原理进行大型储罐基础设计 。
3 结 论
变刚度调平概念设计改变了传统地基基础设计 中只重视满足总体承载力和沉降要求 ,忽略上部结 构 、承台 、桩 、土的共同工作特性 。若采用均匀布桩 , 由此导致基础沉降呈蝶形分布 、反力呈马鞍形分布 , 基础整体弯矩和核心区冲切力过大 。不但基础板配 筋较多 ,而且还会造成基础板和上部结构裂缝的出 现乃至影响正常使用 。文中通过增加罐区中心区域 的桩长来抵消由于土与土 、桩与桩 、土与桩的相互作 用而对中心区域竖向支承刚度的弱化效应 ,从而使 沉降等值线的梯度减小 ,以免在使用中这种不均匀 变形对储罐的破坏 。实践证明了变刚度调平在大型 储罐基础设计中可以起到调整不均匀沉降 ,进而达 到优化设计的目的 。
钢筋混凝土结构容重为 25 kN /m3 ) ,节约混凝土和 钢材 。
(6)节省层高 ,顶棚无抹灰 ,便于装饰 。
5 经济效益
现浇混凝土空心无梁楼盖综合经济效益高 。与 一般楼盖系统钢筋 、模板的用量计算比较 ,钢筋混凝 土造价低 6% ,模板损耗降低 40% ,装修费用低 ,此 结构楼板完全平整 ,无须吊顶 。同时在相同净高条 件下层高可降低 ,减少了竖向的水电风电梯内外墙 装修等费用 。
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浙 江 建 筑
2009年 第 26卷
4 施工优点
无梁楼盖与普通肋梁板比较具有下列优点 : (1)施工速度快 ,省去了梁的支模工序 ,裙楼 11万 m2主体结构仅施工 7 个月就结顶 ,缩短施工 工期 3个月 。 (2)减少模板裁损 ,节约模板 。 (3)节约机械 、周转材料的租用费而并未增加 其它成本 。 (4)施工方便 ,节约劳动力 。 (5)结构自重轻 (毛容重为 19～21 kN /m3 ,普通
Δs≤δ
l^
式中 :Δs—罐周两点间的沉降差 ;
l^—该两点之间的罐周弧长 。
目前国内外很多规范都采用该指标来判断不均 匀沉降的严重程度 ,但取值并不一致 ,我国相关规 范 [ 5 ]对浮顶罐和固顶罐的规定中 δ分别取 0. 25% 和 0. 4%。
2 工程实例
2. 1 工程概况 某 10 000 m3 固顶储罐 ,罐直径为 28. 5 m ,高度
层号
1 2-1 2-2
3 4
土名称
黏性土 淤泥 淤泥 淤泥质粉质黏土 黏性土
表 1 罐区土的主要物理力学指标
土层厚度 /m
2. 45 17. 3 16. 4 9. 3 18. 5
极限侧摩擦力 / kPa 压缩模量 /MPa 重度 / ( kN /m3 ) 摩擦角 / ( °) 粘聚力 / kPa
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浙江建筑 ,第 26卷 ,第 5期 , 2009年 5月 Zhejiang Construction, Vol. 26, No. 5, M ay. 2009
变刚度调平在大型储罐基础设计中的应用
Applica tion of Stiffness Var ia tion L eveling in Huge Storage Tank D esign
刚度是均匀分布的 ,设置于其上的刚度有限的基础 底板受均布荷载的作用 。但是由于土与土 、桩与桩 、 土与桩的相互作用导致桩群的竖向支承刚度分布发 生内弱外强变化 ,沉降变形出现内大外小的蝶形分 布 ,基底反力出现内小外大的马鞍形分布 。
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几种常见的地基处理方法 [ 2 - 3 ] : (1)加载预压 :在储罐安装就位后 ,利用储罐内 进水试漏的同时对地基进行预压 ; (2)水泥搅拌 :分湿法和干法两种 ,它利用深层 搅拌机将水泥浆与地基土在原位拌和 ,形成柱状水 泥体 ,可提高承载力 ,减小沉降量 ; (3) CFG桩 :在碎石桩中掺和石屑 、粉煤灰的低 标号桩 ,它同褥垫层一起组成复合地基 ; (4)强夯置换 :采用高能量夯锤 ,原理是置换与 挤淤 ;
为 15. 85 m ,浮顶罐 ,储罐总重量为 1 988 kN ,冲水预 压荷载为 162 kN /m2 。 2. 2 工程地质条件
罐区土的主要物理力学指标 ,见表 1。 经勘察表明 ,拟建场地自上而下共分 4层 ,第 1 层为黏土 ,厚度 2. 45 m ,可塑状态 ;第 2 层为淤泥 , 厚度 33. 7 m ,压缩性大 ;第 3层为淤泥质粉质黏土 , 厚度 9. 3 m;第 4层为黏性土夹粉土 ,厚度 18. 5 m。
2. 99
18. 7
11. 9
11
4. 5
1. 16
15. 9
10
4. 9
5. 5
1. 53
1611. 8来自5. 8122. 6
18. 2
13. 8
10. 1
16
5
17. 7
11. 3
7. 7
2. 3 基础设计 采用预制混凝土管桩 ,桩径 600 mm ,均匀布桩
见图 1。首先根据承载力把桩长确定为 38 m ,计算 得沉降等值线图 2,从图 2 可以看出罐区中间部位 的沉降比较大 ,最大为 185 mm ,向外边缘逐渐减小 到 143 mm。这说明虽然均匀布桩的初始竖向支承
第 5期
陈长林等 :变刚度调平在大型储罐基础设计中的应用
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布 ,使反力同荷载分布相协调 ,沉降变形趋向均匀 , 由此使基础所受整体弯矩 、冲切力和剪力减至最小 。 具体做法是根据结构布局 、荷载及地层条件 ,实施局 部增强变刚度调平 、主裙连体变刚度调平 、桩基变刚 度调平 ,并进行地基 (桩土 ) —基础 —上部结构共同 作用计算分析 。 1. 1 局部增强变刚度调平
在采用天然地基时 ,突破纯天然地基的传统观 念 ,对荷载集度高的区域如核心筒等实施局部增强 处理 ,包括采用刚性桩复合地基或局部桩基 ,由此使 支承刚度与荷载匹配 ,沉降趋向均匀 ,从而降低了基 础内力和材耗 。 1. 2 桩基变刚度调平
对于需采用桩基的情况 ,根据结构与荷载分布 、 场地地质特点实施变刚度调平布桩 。对于荷载显著 不均匀的框筒 、框剪结构 ,可采用变桩距 、变桩径 、变 桩长布桩 。对于荷载集度高的内部桩群区 ,应考虑 相互作用适当增强 ;对于外围区应适当弱化 ,按复合 桩基计算 。 1. 3 主裙连体变刚度调平
参考文献
[ 1 ] 陈凌志 ,赵 阳. 不均匀沉降下的大型钢储罐结构 [ J ]. 空间结 构 , 2003, 9 ( 3) : 50 - 54.
[ 2 ] 徐至钧 ,许朝铨 ,沈珠江. 大型储罐基础设计与地基处理 [M ]. 北京 :中国石化出版社 , 1999: 25 - 28.
[ 3 ] 中国建筑科学研究院. JGJ 7922002 J 22022002 建筑地基处理 技术规范 [ S]. 北京 :中国建筑工业出版社 , 2002.
(上接第 31页 ) 为了减小这种不均匀沉降 ,把从罐区中心向外 5环的桩长增加到 45 m 以抵消由于土与土 、桩与 桩 、土与桩的相互作用而对中心区域竖向支承刚度 的弱化效应 。其计算的沉降等值线见图 3,从图 3 可以看出 ,由于增加了中心区域的刚度 ,从而使沉降 值由原来的 185 mm 减小到 158 mm ,沉降差有原来 的 0. 29%减小到 0. 03% ,满足规范要求 。
与配筋 。 因此对于荷载分布较均匀的大型油罐等构筑
物 ,宜采用桩基变刚度调平即按变桩距 、变桩长布桩 以抵消 因 相 互 作 用 对 中 心 区 支 承 刚 度 的 消 弱 效 应 [ 4 ] ,从而在一定程度上降低储罐的不均匀沉降 。
储罐基础的不均匀沉降指标是用沿罐周相邻两 测点的沉降差除以该两点间的罐周弧长来表示 ,即 :
[ 4 ] 中国建筑科学研究院. JGJ 9422008 建筑桩基技术规范 [ S ]. 北 京 :中国建筑工业出版社 , 2008.
[ 5 ] 中国石化北京设计院. SH 3068295 石油化工企业钢储罐地基 与基础设计规范 [ S]. 北京 :中国石化出版社 , 1995.
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关键词 :变刚度调平设计 ;沉降差 ;大型储罐基础 中图分类号 : TU473. 1 + 3 文献标识码 : B 文章编号 : 1008 - 3707 (2009) 05 - 0030 - 02
目前 ,钢储罐的容量不断增大 ,有的储罐直径甚 至接近 100 m。储罐大型化后 ,其基础荷载大 ,覆盖 面积也较大 ,在储罐建设中经常会遇到不良土质 、不 均匀土层 、沟壑暗滨等非理想土层作为储罐的地基 。 而建在这种软土地基上大型储罐不可避免地会产生 各种沉降变形 。储罐的主要沉降有 :整体均匀沉降 、 整体平面倾斜沉降 、罐周不均匀沉降 、罐周局部沉降 以及底板的碟形沉降和局部沉降 ,其中罐周不均匀 沉降即沉降差对结构的影响最为不利 [ 1 ] 。从而需 要对之进行处理 ,但是地基处理是否得当直接关系 到工程的质量 、进度和经济 ,因此合理地选择处理方 法是非常必要的 。