球罐基础设计软件SPCAD的开发与应用

金微

（中石化上海工程有限公司 上海 200120）

1 概况

球罐为大容量、承压的球形储存容器，无论在石油石化行业还是在城市燃气行业，球罐均有非常广泛的应用，因此相关行业的专业设计院经常需要对球罐以及球罐基础开展设计工作。球罐基础属于特种构筑物范畴，无法使用常见的建筑结构设计软件，设计人员通常采用手算方式，计算繁琐工作量较大，耗费时间较多，设计效率不高。在这种背景之下，开发一种针对球罐基础的结构计算软件很有必要性。

图1 常见球罐示意图

球罐基础设计软件SPCAD（以下简称SPCAD软件）是根据最新版《石油化工球罐基础设计规范》（SH/T3062-2017）[1]、《石油化工构筑物抗震设计规范》（SH3147-2014）[2]、《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）[5]以及《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）[6]等规范编制的球罐基础CAD软件，能满足一般工程上的球罐基础的设计需要，实现从数据输入到施工图的全部计算机化。

2 SPCAD软件的系统结构

为方便以后计算机系统软硬件的升级，SPCAD软件采用Microsoft Visual Studio 2010开发平台，支持中文操作系统：WINDOWS XP、WINDOWS 7等各版本以及AutoCAD R14及以上for WINDOWS（32/64位）各版本的绘图系统。

2.1 软件设计流程

通常在进行球罐基础设计时，先根据设备条件输入球罐的相关信息，包括球罐直径、罐体中心高度、支腿截面信息、以及设备计算重量（包括设备空重、操作重量、充水重量、附加重量等），同时根据基础计算的需要，确定基础方案（天然地基或桩基）并输入相对应的地基信息、风荷载及地震荷载信息，才可开始计算。

根据以上设计思路，SPCAD共分为六个子菜单，子菜单界面采用选项卡的形式，选项卡以及每个选项卡内的具体内容，即图2、图3、图4所示。

图2 SPCAD程序选项卡内容

图3 SPCAD程序主要内容概要一

图4 SPCAD程序主要内容概要二

2.2 主要模块说明

由上述流程图可见，SPCAD程序将球罐设备信息以及基础方案信息输入整合后进行基础计算，实现从数据录入到施工图全过程自动化。

2.2.1 基本数据

基本数据输入包括通用信息，风、地震数据，材料信息。可将项目设计中的设备位号、所在区域风荷载地震荷载信息以及拟采用的基础形式，基础混凝土等级、钢筋牌号等内容全部输入在此选项卡内。

2.2.2 设备信息

设备信息主要包含球罐几何参数、设备自振周期、设备荷载。其中设备自振周期提供了两种输入模式，一种为根据输入的设备钢支腿截面尺寸以及拉杆与支柱中心线交点处的标高进行自动计算，得到球罐的自振周期；另一种即为用户自定义周期，不再额外计算。

2.2.3 地基、基础信息

地基及基础信息需要输入地坪标高、基础底标高、基础中心圆直径等，天然地基计算时需要的地基土承载力特征值（修正前）、用于承载力修正的土层重度以及土体类别，以及用于基础沉降计算的土层压缩模量等。

此外，根据基本数据中用户选择的基础类型，天然地基或桩基础还需输入对应的参数（天然地基又分为独立浅基础和环形浅基础两种形式）。选择天然地基形式时，软件界面会提供球罐支墩的截面尺寸，独立基础的长宽比或环形基础最小宽度的数据。当桩基形式被选择时，需要输入的参数除了球罐支墩的截面尺寸之外，还需要单桩承载力特征值、桩直径、桩长、桩间距和桩边距等。考虑到实际工程中，设计人员可能会根据工程经验先预估好天然地基的尺寸或采用多少根桩，SPCAD程序可提供自动计算基础信息和已知基础进行验算两种模式，供用户选择应用。

2.2.4 施工图

完成前三项的输入后可调用核心计算模块，即可输出绘制施工图所需要的参数，同时，施工图选项卡内还需添加地脚螺栓信息、连梁信息用于绘图。计算输出的基础（承台）配筋结果、短柱墩配筋结果均可显示在界面上，供用户根据设计经验以及项目实际情况进行修改。修改完毕后重新生成绘图数据，用于AutoCAD自动绘图。

2.2.5 计算书

SPCAD可提供TXT和Word两种版本的计算书，供用户按需选择。

2.2.6 帮助菜单

程序开发依据、基本原理、软件操作等内容的详细说明，可供用户查阅。

3 SPCAD主要算法及功能

球罐计算流程中主要分为上部计算和基础计算两部分。

上部计算中风荷载计算参考球罐规范[1]和荷载规范[3]，地震荷载计算参考构筑物抗震设计规范[2]，这两种计算较普通建筑物并无太大区别，球罐计算独特之处主要有以下两点：

3.1 球罐自振周期计算

球罐自振周期主要用于球罐所受风荷载以及地震荷载的导算。一般由设备专业提供，当缺少相关条件的时候，SPCAD可根据球罐规范[1]自动计算周期。见图5和下列公式计算：

图5 球罐立面计算简图

式中：T——球罐结构的基本自振周期，s；

K——球罐构架的侧移刚度，N/mm；

K1——球罐构架的弯曲刚度，N/mm；

K2——球罐构架的剪变刚度，N/mm；

KC、A、C1、C2、λC——计算参数或系数；

n——支柱根数；

Es——支柱的常温弹性模量，N/mm2；

Ac——支柱的截面面积，mm2；

DB——支柱中心圆直径，mm；

Ds——球罐的内直径，mm；

Hc——支柱底板底面至球罐中心的高度，mm；

H1——支柱的有效高度，mm；

H2——支柱底板底面至拉杆与支柱中心线交点处的距离，mm；

L——相邻两支柱间的距离，mm；

Ic——单根支柱截面的惯性矩，mm4；

LW——支柱与球壳之间（一侧）焊缝垂直投影长度的一半，mm；

dc——支柱外径，mm；

θ——拉杆的仰角，℃；

AB——拉杆的截面面积，mm2；

meq——球罐在操作状态下的等效质量，kg。

3.2 球罐单个支墩顶面荷载效应计算

球罐一般为偶数个支腿，球罐的总重量以及作用于罐体中心点的总水平力和总地震力需要分摊到每一个支墩顶面，才能进行下一步的基础计算，这也是一般设计人员感到麻烦的地方。根据球罐规范[1]SPCAD程序可自动计算传至单个支墩顶面的竖向力和水平力，并根据球罐规范[1]和荷载规范[2]进行荷载组合，选出最不利工况。

3.2.1 竖向力计算

单个支墩顶面的竖向力由重力荷载产生的竖向力和作用于球罐中心的水平荷载在单个支墩顶面产生的竖向力两部分组成。下列公式中的荷载，用于正常使用极限状态计算时，应采用荷载效应的标准组合、准永久组合；用于承载能力极限状态计算时，应采用荷载效应的基本组合。

不同状态下重力荷载产生的竖向力按下式计算：

式中：F′——重力荷载在基础单个支墩顶面产生的竖向力值，kN；

作用于球罐中心的风荷载或地震作用，在单个支墩顶面产生的竖向力按下列各式计算：

式中：Fi——作用于球罐中心的风荷载或地震作用，在基础单个支墩顶面产生的竖向力，kN；

FEW——作用于球壳中心的风荷载或地震作用，kN，风荷载标准值按FWK取用，地震作用标准值按FEK取用；

HC——支柱底板底面至球罐中心的高度，m；

R——支柱中心圆半径，m；

θi——支柱方位角，按式（15）、（16）计算。

图6 球罐平面计算简图（A向）

图7 球罐平面计算简图（B向）

图8 球罐平面计算简图（B向）

（1）当A方向受力时支柱的方位角：

（2）当B方向受力时支柱的方位角：

注：i表示支柱在0～360°范围的顺序号。

3.2.2 水平力计算

传至基础单个支墩顶面的水平剪力，其值等于支柱底端拉杆的轴力在拉杆平面内产生的水平分力值（见图8所示），可利用几何关系，间接由拉杆作用在相邻支柱上产生的竖向力求出。

单个支墩顶面的水平剪力，按下列各式计算。i-1支柱所在的支墩顶面剪力Qi-1的方向，作用在拉杆所在的平面内，当Fi-j为压力时，Qi-1指向i支柱，反之相反。

式中：

Qi-1——单个支墩顶面的水平剪力，kN；

Fi-j——j拉杆作用在i支柱上产生的竖向力值，kN；

H2——支柱底板底面至拉杆与支柱中心线交点处的距离，m；

θj——拉杆j的方位角，按式（19）、（20）计算。

（1）当A方向受力时拉杆j的方位角：

（2）当B方向受力时拉杆j的方位角：

注：i=j+1，j=0，1，2，3……。

在已求得球罐基础顶面受力情况下，混凝土基础的计算过程较为常规，即在计算地基承载力或桩基承载力时采用荷载的标准组合；在进行基础抗冲切、抗剪、抗弯等计算时采用荷载的基本组合；在进行沉降计算时采用准永久组合。SPCAD程序在计算过程中会识别各组合的类型，自动判断是否适合当前的计算内容，并依据混凝土规范[4]、建筑地基规范[5]、桩基规范[6]中的对应条文完成基础设计工作。

4 小结

球罐基础的开发工作已经基本完成，目前正在测试过程中，预计今年即可用于实际设计工程中。SPCAD程序的应用可自动计算或验算球罐基础是否满足规范要求，可提供word或txt版本的计算书并自动绘制基础施工图，大大地缩短了设计周期，提高了设计效率。我们也希望随着软件越来越多地应用于实际工程，SPCAD程序也将更加完善，更好的服务于球罐工程设计。