摘要：空分行业常压低温液体储槽抗震设计多参照API 620{大型焊接低压储槽设计与建造》附录I 。API 620-2008(第ll版)发布后，其抗震计算与API 620-2002(第10版)相比发生了很大变化。对比了新、旧版API标准中抗震计算的异同，并结合工程实例对如何将国内标准中地震参数转换为API新版规范的计算参数进行了说明。

大型常压低温液体储槽是空分后备系统的核心装置之一,抗震设计则是储槽完整性设计过程中的重要组成部分。2008年之前,空分储槽抗震计算多依据美国石油协会标准API 6202002《大型焊接低压储槽设计与建造》(第10版)附录L执行。该标准采用反应谱理论,考虑了罐自身和罐内介质在地震发生时产生的2种不同振动模式(耦联振动产生脉冲压力,晃动产生对流压力),对其破坏形式，如轴向失稳、晃液等进行控制。从第11版API620-2008《大型焊接低压储槽设计与建造》开始，附录L中不再有具体的计算过程细节，而是建议参考API650钢制焊接油罐》附录E的抗震计算部分(当时的版本是API650--2007，目前最新版本为API 650- 2013[3]),在此基础， 上再辅以额外的要求。笔者对比分析了API 620第10版和第11版抗震计算的异同,并结合工程实例对如何将国内标准中地震参数转换为API新版规范的计算参数进行了说明。

1、API标准主要差异

1.1设防地震作用

第10版API 620参考的结构设计规范是美国

UBC1997《统一- 建筑规范》 ,该规范采用50 a超越概率10%的地震作用(地震设计重现期475a)作为基准设防地震作用,主要适用于美国西部地区。此外,美国还有NBC(东北部地区)、SBC(中南部地区)规范。而第11版API 620所引用的API 650采用的是2000年上述3个规范的编制机构共同出版的IBC2000<《国际建筑规范》5]。IBC与UBC最大不同之处在于采用50a内超过概率2%的地震作用(地震设计重现期2 475 a)作为设防地震作用并考虑一定折减效应,使全美抗震防倒塌水平达到统一。

1.2 地震参数

第10版API620按照UBC规范将全美分为0~4共5个烈度分区,对应不同分区有不同的设计基本加速度系数Z。API650没有地震分区的概念,地震加速度由系数Sps和Sp决定,Sps指反应谱加速度的.峰值,Sp指反应谱下降段的值。对于一个具体的工程地点,可先由最大考虑地震(MCE)分布图查得该地的S,和S并考虑系数F。和F、综合得到。其中S,为0.2s特征周期时的最大地震加速度,S,为1s特征周期时的最大地震加速度,F。为地震加速度影响系数,F.为地震烈度影响系数。F、Fv与该地的土壤条件和1s周期反应谱加速度S有关。

1.3锚固系数

锚固系数J是API650从2007版中新加入的用于校验储槽是否需要锚固的主要参数。发生地震时,若储槽自重等抗倾覆力足够大,则处于自锚固状态,此时即使不设置锚固也不会发生倾覆,反之则需要增加锚固。

当J≤0.785时,可认为储槽处于自锚固状态。当0.785 1.54时,一般需要增加锚固。

1.4 液压环向力

液压环向力并不是储槽破坏的主导因素,对于小型储槽,其验算- -般都会合格,因而第10版API620中并未引人计算。而在API650中则指出,对储存较大密度介质的大型储槽,如果受到垂直地震力的影响,则需要验算液压环向应力。

1.5 其他方面

在晃液高度的计算上,API650采用了修正的Housner公式而非API 620第10版的原公式。在脉冲惯性力和对流惯性力的叠加方式上,API 650 考虑到两者不会同时发生,若按API 620第10版直

接相加过于保守,因而总力取两者的平方相加再取.平方根。此外,API 620第10版并未考虑垂直地震.作用的影响,而API 650则有相关内容。

API 620第11版在引用API 650地震计算的基础上,还根据本标准适用储槽的特点对某些参数进行了修改。例如按API 620 设计的储槽若考虑50a内超过概率2%的地震作用(CLE工况),则地震折减系数Q取1(API 650原为2/3,API 620如此处理相当于提高了1.5 倍的地震作用)。考虑到某些储存介质的特殊性,如空分中常见的液氧、液氮等低

温介质一旦泄漏会造成巨大的损失,API620相应提高了脉冲力和晃动力的削减系数(Rw、R..)等。

考虑到与第10 版的连续性,除了采用50 a内超过概率2%的地震作用外,API620第11版也允许采用50a超越概率10%的地震作用(OLE工况),但相应的计算公式应符合附录L中的改动,并对计算结果有许多额外要求。

2、地震参数转换工程实例

由于各国的抗震设计水平和历史不同，各国储槽的抗震设计参数差别较大。对国内设计人员来说,采用新版API 620进行抗震计算的最大难点在于，如何把国内标准中的地震参数转化为API标准中使用的参数。笔者以某空分项目5 000 m39;液氮储槽为例对此加以说明。

 

该储槽位于我国西北地区,直径18.5 m,设计压力15 kPa,设计温度一196 C。储槽罐壁材质为0Cr18Ni9,最下层壁厚12 mm,腐蚀裕量0,设计液位18.6 m。按GB 50011一 2010《建筑抗震设计规范》刀,其场地基本烈度为7度(0. 15g),设计地震分组为第二组,场地类别为II类,其中场地土层等效剪切波速平均值为307. 5 m/s, 覆盖层厚度为

16~20 m。为方便计算,不考虑垂直方向地震力，但仍计算地震环向力。

2.1场地类别

API650中根据土层的平均剪切波速,将场地类别分为A、B、C、D、E、F总共6类,其中波速U.30为计算深度100 ft,即约30 m土层厚度的平均剪切波速。

GB 50011- -2010中,按土层等效剪切波速Ve和场地覆盖层厚度将场地类别分为I、I、II、IV共4类,其中等效剪切波速Use的计算深度为20 m和覆盖层厚度两者之间的最小值。一般情况下，覆盖层厚度取地面至剪切波速大于500m/s的土层顶面

厚度。若要按API 650计算,最精确的方法是实际测量30 m深度内的平均剪切波速,而一般工程前期勘察仅按GB 50011-2010测量。此时对于覆盖层厚度接近20 m的坚硬密实土壤(即20 m土层厚度的平均剪切波速U,20≈v),可参考文献的方法进行处理。文献[8]指出,II 类土壤20 m深度内的平均剪切波速V,20与Us3o有一定对应关系,可由

U,20.,求得U,30.进而按照API650分类,由此总结的场地类别转换数据见表1。

该工程实例中V20=307. 5 m/s,场地类别为II类,由表1知对应API650中的D类土。

2.2周期Ts,TL

GB50011-2010和IBC2000中地震谱基准阻尼比均为5%,且反应谱曲线类似,均由上升段、水平段和2个下降段组成,见图1。

图1中,a为地震影响系数,amax为最大地震影响系数,T为结构自振周期,Tg为特征周期,T.为水平段中止周期,T.为位移控制段起始周期,T。为水平段起始周期，η为斜率调整系数，η为阻尼调整系数,γ为衰减系数,S。为加速度参数。水平段中止处周期为设计特征周期(IBC2000-2010定义为T. ,GB 50011- -2010定义为T),速度控制段与位

移控制段交点处周期为长周期过渡周期(IBC2000定义为T.,GB 50011- 2010未定义)。

GB50011-2010中的Tg是根据设计地震分组(考虑到近远震)和场地类别确定。而IBC 2000中的T,=F,S/(F.S,),是根据加速度S.、S和场地系数F、F,共同确定的,其中S,.S已考虑了地震强度和近远震的影响。在参数转换中,可近似认为T,≈T。

T在IBC2000中是与地震分区及震级有关的长周期段过渡周期,参照震级关系,国内的7度和8度地震烈度区可取4 s和6 s。

2.3加速度 S8、S1

中美设计地震谱阻尼比均为5%,不需要进行系数调整。基于此,可以按照以下的步骤进行S8和S1的求取。

首先需要得到本实例场地50a内2%超越概率水准下的地震加速度最大值(amax。由于GB50011-2010附录A中列出的全国各地基本加速度是50a内10%超越概率水准下的地震加速度,因此不可直接引用。需要注意的是,查基本加速度对应的罕遇地震峰值加速度的方法也不可行,因该标准罕遇地震重现期并不都是50a概率2%,对于9度区概率2%,8度区概率2.5%,7度区概率3%。如果前期勘察设计没有相关数据,可保守地参照表2所列的数据。

对该项目进行了实地勘察,得αmax =0.3g。

其次,按照中国标准勘察得到的加速度是地面峰值加速度,而IBC2000中的反应谱加速度是结构上的响应加速度,两者相差2. 5倍的结构影响系数，S.=2.5amas=0. 75g。

本项目的场地土类型为API 650中的D类土，因此得到的S,是基于D类土的测量结果。而IBC2000中的反应谱是基于B类场地的,要想得到标准的S8和S1还必须进行转换,具体转换公式为S8=2.5amx/F.,其中F。可由API 650 E4.4表E.1得到。由于F。不仅与场地类别有关,还与标准S,的数值有关,因此需进行试算求值。先假定F。的值求出S,再根据S,和场地类别D查得F。若前后2次F。数值误差小于0.5%,则可确定最终值，否则重复上述试值步骤，直到误差足够小为止。

对本实例,先假定F.=1,则S.=0.75g,查API650表E-1知F.=1.2,误差不满足;假设F.=1.1,则S,=0.682g,再反查得F.=1.254 4。反复试算，直至F.= 1.36时,S,=0. 551g.反查得到F.=1.3588,误差小于0.5%,因此本实例地震参数转换结果为S,=0.551g、F.=1.36。

由API 650知T.= F、S:/(F.S,),其中T,(即中国标准反应谱中的T，)由GB 50011- -2010 查得为0.4 s,需要注意这对应的是重现期475 a的地震,罕遇地震须加上0.05 s,即为0.45 s。从中国标准中无法准确查到重现期2475 a的地震反应谱,但可近似认为其与GB 50011- -2010中的罕遇地震的Tg相同,则T.=0.45 s,S,=F.ST./F.=0.337/

F,按API 650 E4.4 表E-2重复上述试差,得F.=2. 18、Si=0. 155g。

2.4 其余参数.

其余参数只需要根据API 650中的相关定义或者公式即可得出。需要特别指出的是,对储存低温介质的空分储槽,因其满足API 620附录Q,因此API 620附录L对减弱系数Q、反应谱修正系数Rw和R..重要性系数I以及最大晃液高度δ等做了额外规定。

3 工程实例计算结果

将本实例相关地震参数转换后,按API 620第11版规定进行地震计算,得到储槽底部倾覆力矩为16251990N●m,最大晃液高度696mm,储槽锚固系数0.712,按照API 650附录E表E-6,该储槽处于自锚固状态,无须添加锚固。储槽最大压缩应力为6. 87 MPa,底部最大环向应力为155. 2 MPa,均合格。API620第10版与第11版的计算结果对比见表3。

4 结语

第11版API620附录L指出地震计算参考API 650附录E,同时根据本标准特点提出了一些额外要求。本文对比分析了新旧版API 620抗震计算的差异，结合工程实例介绍了如何把GB 50011- -2010中的地震参数转换为API 620中的地震参数进行计算,提供的思路具有参考意义

知识点：空分常压低温液体储槽抗震计算

低温液体储槽施工方案