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摘要: 在石油化工等行业里，高大的塔设备已经成为了这些行业里重要的应用设备。由于塔设备在所有工艺流程中起到一个串联的作用，因此如何设计塔基础是非常重要的一个环节。本文主要对高塔基础设计中应关注的事项进行了探讨。
关键词: 高塔基础；设计；关注的事项
Abstract: in the petroleum chemical industry, the tall tower equipment has become the industry important application equipment. Due to the tower in all process equipment plays a role in series, so how to design pylon foundation is a very important link. This paper focuses on the basic design tower should be paid attention in matters of are discussed in this paper.
Keywords: tower basis; Design; priority
中图分类号： S611 文献标识码：A 文章编号：
塔基础的主要作用是能够承担全部的竖向荷载以及风荷载，如果处于地震地区，还能承担一部分的地震作用。塔体中的塔设备相对于普通的设备来说有很多不同的特点，高大的塔设备一般直径是比较小的，而决定设备的直径大小的主要因素是，在设计时根据设备的工艺专业要求，经过对结构具体的计算之后确定的。在完成了塔设备的设计之后要为土建提供具体的设计参数，例如塔体的直径、塔体的壁厚、塔体的总高度以及保温层的厚度等。
1 计算风荷载的依据不同出现的结果不同
在计算风荷载时，如果选择的规范不一样，会导致计算出来的结果出现一些差异。目前计算风荷载一把会用到两个规范，其中之一是《石油化工的塔形设备基础的具体设计规范》(SH 3030-2009)(以下简称“塔规”)，另外一个是《对于高耸结构的设计规范》(GB50135-2006)(以下简称“高规”)。
塔规的计算公式是:
qwk=βzμsμz(1+μe)(D0+2δ2)w0
在公式中,qwk是在高度的作用下塔型設备的具体风荷载标准值, kN/m；βz是高度在Z处时的风振系数；μs是塔型设备的具体风荷载体型系数；μz是高度在Z处时的风压高度的具体变化系数；μe是塔型设备上风荷载的具体扩大系数；D0是塔型设备的具体外径, m；δ2是塔型设备上的保温层的厚度, m；w0是基本的风压, kN/m2。
高规的计算公式是:
wk=βzμsμzw0
在公式中,wk是风荷载的标准值, kN/m2;其它参数的具体含义如上所述。
(1)在上述公式里:μs根据规范中的一些具体规定,风荷载的具体体型系数确定为0.6，在进行多塔排列时，按照《建筑结构的荷载规范（2006版）》(GB 50009-2001(以下简称“荷规”)中的相关规定来计算塔型设备的具体体型系数。按照“高规”表里4.2.7项次9可以认为μs为综合性系数，它可以在平台以及扶梯等单个塔型设备里使用。
(2) 如图1中显示，βz按照规范中的具体规定，对垂直于联合塔的排列方向具体荷载进行计算时，应该用周期里最长的塔作为主周期T1，地坪到基础嵌固面之间的距离可以假设为2m：
塔一:H2/D0=49.52/1.1=2 228>700
T1=0.25+0.99×10-3H2/D0
=0•25+0•99×10-3×2228
=2.456 s>0.25 s
塔二:H2/D0=54.52/1.5=1980>700
T1=0.25+0.99×10-3H2/D0
=0.25+0.99×10-3×1980
=2.21 s>0.25 s
塔三:H2/D0=54.52/0.9=3 300>700
T1=0.25+0.99×10-3H2/D0
=0.25+0.99×10-3×3300
=3.517 s>0.25 s
取塔三的自振周期为整个塔排的自振周期T1=3.517 s。
对于塔二,若根据“高规”计算:
w0T12=0.40×3。5172=4。95 kN•s2/m2
ξ=3。18 (按无维护钢结构取用),
塔顶部:ε1=0.52,ε2=1.00
距地面10 m处:ε1=0.72,ε2=0.12
则,塔顶部:βz=1+ξε1ε2=2.65
距地面10 m处:βz=1+ξε1ε2=1.27
式中,ε1为风压脉动和高度变化等的影响系数；ε2为振型、结构外形的影响系数；ξ为脉动增大系数。
若根据“荷规”计算:
ξ=3.18 (按钢结构取用)
塔顶部:v=0.873,φz=1.0
μz=1.67+1.77-1.6760-50×(52.5-50)≈1.7
距地面10 m处:
v=0.72,φz=1.0,μz=1.00
则,塔顶部:βz=1+ζvφzμz=2.63
距地面10 m处:βz=1+ζvφzμz=3.29
式中,v脉动影响系数;φz为振型系数;其他系数含义同前述。
按照上述所得结论，在计算总体的水平荷载过程中，如果偏差是137.41-127.45127.45=7.8%,就能够满足设计过程中要求的精确度；在计算总力矩的过程中，如果偏差是4 112-3 5143 514=17%,则处于偏大的数值。这里由于涉及到设备的重要性，所以应该采用比较保守的“高规”中的计算结果。
图1塔基础平面布置
2 对抗震设防区中的塔基础进行分析和计算
如果处在地震区的话，其抗震设防的烈度若不大于7度，可以不必计算那些高度比较低、质量比较差的塔的地震作用，只需要满足抗震的构建措施就行。如果抗震设防烈度在8度（包括8度）以上，就应该考虑到水平和竖向上的地震作用。对于烈度比较低的地区，其塔体的质量比较小，所产生的地震效应也相应较小，在计算的过程中，含地震的组合在一般情况下是不起控制作用的。这时塔体会处于最不利的工况中，会进行停产检修。而高塔基础的总重会相对较小，风荷载会处于不变的状态中，这种情况是非常不利的，极容易出现倾覆的现象。
如图1所示，塔联合结构的基础是3，采用的是桩基础。对于塔二来说，按照《石油化工对于构筑物抗震设计的具体规范》(SH/T 3147-2004)(以下简称“石抗规”)的规定，通过底部剪力法对地震作用进行计算的话，一般计算的简图会选取单质点，如果(SH/T 3147-2004)(以下简称“石抗规”)，则水平地震的计算公式为：FEK=α1Geq
α1: 5Tg ζ=0.05
γ=0.9
η1=0.02
η2=1+0•05-ζ0.06+1.7ζ=1>0.55
αmax=0.08
α1=[η20•2γ-η1(T-5Tg)]αmax=0.0168
在公式中，α1是在机构基本子真的周期内，水平地震的影响系数值；αmax是水平地震影响系数中的最大值；γ是衰减系数；Geq是结构等效的总重力荷载值；Tg是特征周期值；ζ是阻尼比；FEK是结构中总水平地震作用的具体标准值；η1是在直线下降段里具体的下降斜率的调整系数；η2是具体的阻尼调整系数。
按照“塔规”可以把三塔的作用进行具体的效应组合，在表1和表2中详细表述。根据上述结果，表3显示的是对塔基础最不利的组合。
表1荷载标准组合
荷载组合工况 Nk/kNVk/kNMk/(kN•m)
正常操作2040304 9243
充水试压(w0=0•15kN/m2) 3380118 3676
停产检修945304 9243
表2荷载基本组合
荷载组合工况 N/kNV/kNM/(kN•m)
正常操作2448 425 12940
充水试压3823 1655146
停产检修 945 426 12946
正常操作+水平地震+竖向地震2489 1303717
正常操作+水平地震-竖向地震2408 1303717
表3塔基础最不利的基本组合
荷载组合工况 N/kN V/kN M/(kN•m)
停产检修 945426 12946
在以上组合里，地震作用都没有参与到其中，相对于那些轻而高的塔设备，停产检修阶段往往会出现控制荷载。
3 对塔基础的地脚螺栓具有的性能进行比较
对于塔基础使用的地脚螺栓，一般设备的制作厂家会专门提供，具体的螺栓直径是经过专业的计算之后确定的。锚栓的直径一般都在M22与M64之间。螺栓的中心跟基础边缘之间应该保持超出4d并且不小于150mm，其中d是螺栓的直径。螺栓有多种形式，例如直钩式、带套管式、爪钩式以及锚板式等。对于地脚螺栓具体的埋深，要根据地脚螺栓的型式进行确定。冶金建筑研究院分别对三种直径各不相同的锚栓和混凝土的具体粘结力进行实验，通过实验结果可以知道：
（1）对于直钩式螺栓，其破坏的具体表现为混凝土的劈裂，锚固的长度应该不小于25d；（2）若爪钩式螺栓将锚固的长度定为10d，则试件如果在螺栓被拉断发生了一定程度的损坏时，混凝土是不会出现损坏的；若将爪支的直径定为小于Φ10 mm，那么锚固的强度会随之降低，并且会造成混凝土的损坏。因此，对于爪钩式螺栓来说，在设置锚固长度时应该不小于15d；（3）若把锚板式螺栓的锚固深度设置成10d，这时锚板式螺栓征途的极限抗拔力会远远超出螺栓材料的整体抗拔拉力的强度。所以，当螺栓的锚固长度设置为不小于15d、锚栓的直径要比32大时，其锚固的长度可以设置为20d。
按照上述的实验，通过结合实验的结果以及抗震构造的具体措施可以知道，在确定锚板式和爪钩式的地脚螺栓时，其锚固的长度应该大于等于d(Q235钢)或23d(Q345钢)；而直钩式螺栓的锚固长度应该大于等于30d(Q235钢)或35d(Q345钢)。
根据相关的规定，选择螺栓的材質时，质量等级必须达到A级或者A级以上，螺栓在工作时温度若小于等于-20℃，那么选用材质的质量等级必须在B级以上。此外螺栓的垫板厚度应该是其直径的0.45倍以上。在安装地脚螺栓之前，应该清除其表面的一些污渍，如果不及时清理，会很容易将螺栓跟混凝土之间的销栓力以及握裹力折减掉，进而威胁到设备的使用安全情况。
4 结语
（1）本文结合具体例子的计算可以知道，当对高塔的风荷载进行计算时，使用比较保守的“高规“的计算结果是比较安全的。（2）如果抗震设置的防烈度小于7度，对于重量比较轻的高塔基础来说，地震的组合是不会起到控制作用的，而控制组合一般会在停产检修的过程中出现。（3）在对塔基础中的地脚螺栓进行设计时，有多种多样的形式，必须保证设计过程中锚固的长度是足够的。
参考文献:
[1]徐至均.高塔基础设计与计算[M].修订版.北京:中国石化出版社,2002:265 -268.
[2]SH/T 3030-2009,石油化工塔形设备基础设计规范[S].
[3]GB 50009-2001,建筑结构荷载规范(2006年版)[S].
[4]SH/T 3147-2004,石油化工构筑物抗震设计规范[S].
个人简介：容艳玲，女（苗族），广西桂林人，中级工程师，学士学位，从事工业建筑结构设计工作。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词: 高塔基础；设计；关注的事项
Abstract: in the petroleum chemical industry, the tall tower equipment has become the industry important application equipment. Due to the tower in all process equipment plays a role in series, so how to design pylon foundation is a very important link. This paper focuses on the basic design tower should be paid attention in matters of are discussed in this paper.
Keywords: tower basis; Design; priority
中图分类号： S611 文献标识码：A 文章编号：
塔基础的主要作用是能够承担全部的竖向荷载以及风荷载，如果处于地震地区，还能承担一部分的地震作用。塔体中的塔设备相对于普通的设备来说有很多不同的特点，高大的塔设备一般直径是比较小的，而决定设备的直径大小的主要因素是，在设计时根据设备的工艺专业要求，经过对结构具体的计算之后确定的。在完成了塔设备的设计之后要为土建提供具体的设计参数，例如塔体的直径、塔体的壁厚、塔体的总高度以及保温层的厚度等。
1 计算风荷载的依据不同出现的结果不同
在计算风荷载时，如果选择的规范不一样，会导致计算出来的结果出现一些差异。目前计算风荷载一把会用到两个规范，其中之一是《石油化工的塔形设备基础的具体设计规范》(SH 3030-2009)(以下简称“塔规”)，另外一个是《对于高耸结构的设计规范》(GB50135-2006)(以下简称“高规”)。
塔规的计算公式是:
qwk=βzμsμz(1+μe)(D0+2δ2)w0
在公式中,qwk是在高度的作用下塔型設备的具体风荷载标准值, kN/m；βz是高度在Z处时的风振系数；μs是塔型设备的具体风荷载体型系数；μz是高度在Z处时的风压高度的具体变化系数；μe是塔型设备上风荷载的具体扩大系数；D0是塔型设备的具体外径, m；δ2是塔型设备上的保温层的厚度, m；w0是基本的风压, kN/m2。
高规的计算公式是:
wk=βzμsμzw0
在公式中,wk是风荷载的标准值, kN/m2;其它参数的具体含义如上所述。
(1)在上述公式里:μs根据规范中的一些具体规定,风荷载的具体体型系数确定为0.6，在进行多塔排列时，按照《建筑结构的荷载规范（2006版）》(GB 50009-2001(以下简称“荷规”)中的相关规定来计算塔型设备的具体体型系数。按照“高规”表里4.2.7项次9可以认为μs为综合性系数，它可以在平台以及扶梯等单个塔型设备里使用。
(2) 如图1中显示，βz按照规范中的具体规定，对垂直于联合塔的排列方向具体荷载进行计算时，应该用周期里最长的塔作为主周期T1，地坪到基础嵌固面之间的距离可以假设为2m：
塔一:H2/D0=49.52/1.1=2 228>700
T1=0.25+0.99×10-3H2/D0
=0•25+0•99×10-3×2228
=2.456 s>0.25 s
塔二:H2/D0=54.52/1.5=1980>700
T1=0.25+0.99×10-3H2/D0
=0.25+0.99×10-3×1980
=2.21 s>0.25 s
塔三:H2/D0=54.52/0.9=3 300>700
T1=0.25+0.99×10-3H2/D0
=0.25+0.99×10-3×3300
=3.517 s>0.25 s
取塔三的自振周期为整个塔排的自振周期T1=3.517 s。
对于塔二,若根据“高规”计算:
w0T12=0.40×3。5172=4。95 kN•s2/m2
ξ=3。18 (按无维护钢结构取用),
塔顶部:ε1=0.52,ε2=1.00
距地面10 m处:ε1=0.72,ε2=0.12
则,塔顶部:βz=1+ξε1ε2=2.65
距地面10 m处:βz=1+ξε1ε2=1.27
式中,ε1为风压脉动和高度变化等的影响系数；ε2为振型、结构外形的影响系数；ξ为脉动增大系数。
若根据“荷规”计算:
ξ=3.18 (按钢结构取用)
塔顶部:v=0.873,φz=1.0
μz=1.67+1.77-1.6760-50×(52.5-50)≈1.7
距地面10 m处:
v=0.72,φz=1.0,μz=1.00
则,塔顶部:βz=1+ζvφzμz=2.63
距地面10 m处:βz=1+ζvφzμz=3.29
式中,v脉动影响系数;φz为振型系数;其他系数含义同前述。
按照上述所得结论，在计算总体的水平荷载过程中，如果偏差是137.41-127.45127.45=7.8%,就能够满足设计过程中要求的精确度；在计算总力矩的过程中，如果偏差是4 112-3 5143 514=17%,则处于偏大的数值。这里由于涉及到设备的重要性，所以应该采用比较保守的“高规”中的计算结果。
图1塔基础平面布置
2 对抗震设防区中的塔基础进行分析和计算
如果处在地震区的话，其抗震设防的烈度若不大于7度，可以不必计算那些高度比较低、质量比较差的塔的地震作用，只需要满足抗震的构建措施就行。如果抗震设防烈度在8度（包括8度）以上，就应该考虑到水平和竖向上的地震作用。对于烈度比较低的地区，其塔体的质量比较小，所产生的地震效应也相应较小，在计算的过程中，含地震的组合在一般情况下是不起控制作用的。这时塔体会处于最不利的工况中，会进行停产检修。而高塔基础的总重会相对较小，风荷载会处于不变的状态中，这种情况是非常不利的，极容易出现倾覆的现象。
如图1所示，塔联合结构的基础是3，采用的是桩基础。对于塔二来说，按照《石油化工对于构筑物抗震设计的具体规范》(SH/T 3147-2004)(以下简称“石抗规”)的规定，通过底部剪力法对地震作用进行计算的话，一般计算的简图会选取单质点，如果(SH/T 3147-2004)(以下简称“石抗规”)，则水平地震的计算公式为：FEK=α1Geq
α1: 5Tg
γ=0.9
η1=0.02
η2=1+0•05-ζ0.06+1.7ζ=1>0.55
αmax=0.08
α1=[η20•2γ-η1(T-5Tg)]αmax=0.0168
在公式中，α1是在机构基本子真的周期内，水平地震的影响系数值；αmax是水平地震影响系数中的最大值；γ是衰减系数；Geq是结构等效的总重力荷载值；Tg是特征周期值；ζ是阻尼比；FEK是结构中总水平地震作用的具体标准值；η1是在直线下降段里具体的下降斜率的调整系数；η2是具体的阻尼调整系数。
按照“塔规”可以把三塔的作用进行具体的效应组合，在表1和表2中详细表述。根据上述结果，表3显示的是对塔基础最不利的组合。
表1荷载标准组合
荷载组合工况 Nk/kNVk/kNMk/(kN•m)
正常操作2040304 9243
充水试压(w0=0•15kN/m2) 3380118 3676
停产检修945304 9243
表2荷载基本组合
荷载组合工况 N/kNV/kNM/(kN•m)
正常操作2448 425 12940
充水试压3823 1655146
停产检修 945 426 12946
正常操作+水平地震+竖向地震2489 1303717
正常操作+水平地震-竖向地震2408 1303717
表3塔基础最不利的基本组合
荷载组合工况 N/kN V/kN M/(kN•m)
停产检修 945426 12946
在以上组合里，地震作用都没有参与到其中，相对于那些轻而高的塔设备，停产检修阶段往往会出现控制荷载。
3 对塔基础的地脚螺栓具有的性能进行比较
对于塔基础使用的地脚螺栓，一般设备的制作厂家会专门提供，具体的螺栓直径是经过专业的计算之后确定的。锚栓的直径一般都在M22与M64之间。螺栓的中心跟基础边缘之间应该保持超出4d并且不小于150mm，其中d是螺栓的直径。螺栓有多种形式，例如直钩式、带套管式、爪钩式以及锚板式等。对于地脚螺栓具体的埋深，要根据地脚螺栓的型式进行确定。冶金建筑研究院分别对三种直径各不相同的锚栓和混凝土的具体粘结力进行实验，通过实验结果可以知道：
（1）对于直钩式螺栓，其破坏的具体表现为混凝土的劈裂，锚固的长度应该不小于25d；（2）若爪钩式螺栓将锚固的长度定为10d，则试件如果在螺栓被拉断发生了一定程度的损坏时，混凝土是不会出现损坏的；若将爪支的直径定为小于Φ10 mm，那么锚固的强度会随之降低，并且会造成混凝土的损坏。因此，对于爪钩式螺栓来说，在设置锚固长度时应该不小于15d；（3）若把锚板式螺栓的锚固深度设置成10d，这时锚板式螺栓征途的极限抗拔力会远远超出螺栓材料的整体抗拔拉力的强度。所以，当螺栓的锚固长度设置为不小于15d、锚栓的直径要比32大时，其锚固的长度可以设置为20d。
按照上述的实验，通过结合实验的结果以及抗震构造的具体措施可以知道，在确定锚板式和爪钩式的地脚螺栓时，其锚固的长度应该大于等于d(Q235钢)或23d(Q345钢)；而直钩式螺栓的锚固长度应该大于等于30d(Q235钢)或35d(Q345钢)。
根据相关的规定，选择螺栓的材質时，质量等级必须达到A级或者A级以上，螺栓在工作时温度若小于等于-20℃，那么选用材质的质量等级必须在B级以上。此外螺栓的垫板厚度应该是其直径的0.45倍以上。在安装地脚螺栓之前，应该清除其表面的一些污渍，如果不及时清理，会很容易将螺栓跟混凝土之间的销栓力以及握裹力折减掉，进而威胁到设备的使用安全情况。
4 结语
（1）本文结合具体例子的计算可以知道，当对高塔的风荷载进行计算时，使用比较保守的“高规“的计算结果是比较安全的。（2）如果抗震设置的防烈度小于7度，对于重量比较轻的高塔基础来说，地震的组合是不会起到控制作用的，而控制组合一般会在停产检修的过程中出现。（3）在对塔基础中的地脚螺栓进行设计时，有多种多样的形式，必须保证设计过程中锚固的长度是足够的。
参考文献:
[1]徐至均.高塔基础设计与计算[M].修订版.北京:中国石化出版社,2002:265 -268.
[2]SH/T 3030-2009,石油化工塔形设备基础设计规范[S].
[3]GB 50009-2001,建筑结构荷载规范(2006年版)[S].
[4]SH/T 3147-2004,石油化工构筑物抗震设计规范[S].
个人简介：容艳玲，女（苗族），广西桂林人，中级工程师，学士学位，从事工业建筑结构设计工作。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。