摘要：全容式混凝土LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和難點(diǎn)在于其抗震的設(shè)計(jì)。江蘇LNG接收站擴(kuò)建工程20萬(wàn)方LNG設(shè)計(jì)過程中，通過對(duì)高樁承臺(tái)剛性連接方案和隔震設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了對(duì)比分析，確定了隔震設(shè)計(jì)方案。采用隔震方案后，經(jīng)過對(duì)儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)相應(yīng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，不僅提高了儲(chǔ)罐抗震性能，還降低了建設(shè)工期，大幅度降低了建投資。

　　關(guān)鍵詞：隔震橡膠支座LNG儲(chǔ)罐地震力樁基

　　前言

　　LNG儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)形式與地質(zhì)條件、地質(zhì)環(huán)境、地震因素等諸多因素有關(guān)。抗震性是儲(chǔ)罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的問題之一，也是LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。根據(jù)分析結(jié)果，高承臺(tái)樁基的水平地震響應(yīng)大于低承臺(tái)8.69%、垂直地震響應(yīng)大于6.34%，低承臺(tái)樁基的抗傾覆能力比高承臺(tái)高12.11%[1]。

　　1LNG儲(chǔ)罐基礎(chǔ)形式簡(jiǎn)介

　　國(guó)際上LNG儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)形式包括：高樁承臺(tái)基礎(chǔ)、電伴熱地面式基礎(chǔ)、電伴熱樁式地面基礎(chǔ)、板式高承臺(tái)基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)一般采用的是高樁承臺(tái)基礎(chǔ)和電伴熱樁式地面基礎(chǔ)(落地承臺(tái))。樁式地面基礎(chǔ)需要設(shè)置電加熱系統(tǒng)，通過控制通電和斷電維持溫度在一定范圍，防止低溫液體的冷量對(duì)地基產(chǎn)生影響。電伴熱系統(tǒng)防爆要求高，控制較為復(fù)雜，有長(zhǎng)期使用費(fèi)用，故障率高且維修不便。

　　單從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及抗震角度考慮，落地承臺(tái)結(jié)構(gòu)要優(yōu)于高承臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，但從后期運(yùn)營(yíng)角度，高樁承臺(tái)利用流動(dòng)的空氣帶走冷量，可省去相應(yīng)的電加熱控制系統(tǒng)，運(yùn)營(yíng)和維護(hù)更加方便。儲(chǔ)罐承樁基設(shè)計(jì)主要考慮地震作用與儲(chǔ)罐自重等因素，其中水平承載力主要受地震作用影響。根據(jù)LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)規(guī)范EN14620-2006，儲(chǔ)罐的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)基于動(dòng)力學(xué)地震反應(yīng)譜計(jì)算，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的操作工況地震反應(yīng)譜(OBE)和安全停運(yùn)地震反應(yīng)譜(SSE)進(jìn)行地震校核。

　　2非隔震方案計(jì)算

　　20萬(wàn)方LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)和建造在國(guó)內(nèi)尚處于起步階段，僅江蘇LNG二期一座20萬(wàn)方LNG儲(chǔ)罐(T-1204號(hào)罐)已建成投產(chǎn)，采用的是電伴熱樁式地面基礎(chǔ)。電伴熱系統(tǒng)，控制較復(fù)雜、故障率高、維修不便，從后期使用方便的角度出發(fā)，江蘇LNG接收站擴(kuò)建工程新增的2座20萬(wàn)立方米LNG儲(chǔ)罐，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)優(yōu)化為高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)。

　　根據(jù)LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)規(guī)范EN14620-2006，利用地震反應(yīng)譜計(jì)算方法,結(jié)合江蘇LNG工程場(chǎng)地地震反應(yīng)譜參數(shù)值，計(jì)算得到了不同阻尼比的地震動(dòng)反應(yīng)譜及儲(chǔ)罐單樁樁頂荷載。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，相較于T-1204號(hào)罐，新建的20萬(wàn)方LNG儲(chǔ)罐由于承臺(tái)抬高了2米，豎向荷載和水平荷載均增加。根據(jù)樁頂約束轉(zhuǎn)動(dòng)下的樁土共同作用計(jì)算模型進(jìn)行靜力計(jì)算，得到了新建20萬(wàn)方LNG儲(chǔ)罐地基處理所要達(dá)到的目標(biāo)m值為20000KN/m4。

　　已建20萬(wàn)方LNG儲(chǔ)罐(T-1204號(hào)罐)地面用碎石換填法進(jìn)行的地基處理，換填深度2.3米。地基處理后的m值為13000KN/m4，小于20000KN/m4的要求，若采用與T-1204號(hào)罐相同的地基處理方案，樁基承載力不能滿足要求。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，新建LNG儲(chǔ)罐墊層如果要達(dá)到m值大于20000KN/m4的要求，換填深度要達(dá)到3.5米以上，地基處理難度很大。即使更換為級(jí)配砂石換填方法進(jìn)行地基處理，仍存在工程經(jīng)驗(yàn)不足問題，換填深度需要現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，影響工期。

　　3隔震方案設(shè)計(jì)

　　3.1隔震原理

　　在樁基與LNG儲(chǔ)罐罐底間加入隔震橡膠墊,形成隔震層,可延長(zhǎng)儲(chǔ)罐自振周期，避開場(chǎng)地的特征周期，避免形成共振，同時(shí)增加結(jié)構(gòu)體系的阻尼，減小地震力向上部?jī)?chǔ)罐的傳遞，達(dá)到降低儲(chǔ)罐地震水平力的目的，并且使儲(chǔ)罐在震中或震后具有自動(dòng)復(fù)位能力。橡膠隔震墊是由橡膠片和薄鋼板相互疊置，經(jīng)高溫加熱并硫化制作而成，支座內(nèi)部除了天然橡膠外，還添加了補(bǔ)強(qiáng)劑、填充劑和防老化劑。由于橡膠層和疊層鋼板的緊密粘結(jié)，當(dāng)橡膠墊承受垂直荷載時(shí)，由于橡膠層的橫向變形受到約束，使得橡膠墊具有很大的豎向剛度和豎向承載能力。

　　3.2儲(chǔ)罐隔震方案計(jì)算

　　LNG儲(chǔ)罐在基底設(shè)置隔震時(shí)，將底板作為一個(gè)計(jì)算單元，混凝土罐壁和罐頂作為一個(gè)計(jì)算單元，液體和內(nèi)罐罐壁作為一個(gè)計(jì)算單元，通過各自的動(dòng)力特性建立彈簧單元連接，整體結(jié)構(gòu)在水平地震作用下整體平動(dòng)。

　　加入隔震墊后，由地震作用和自重作用進(jìn)行荷載組合得到的單樁樁頂荷載(隔震數(shù)值列)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，若采用高承臺(tái)隔震方案，最大地震水平作用力可減少71%。地震作用力大幅降低，對(duì)于地基處理的要求也相應(yīng)下降。根據(jù)樁頂轉(zhuǎn)動(dòng)自由下的樁土共同作用計(jì)算模型進(jìn)行靜力計(jì)算，得到地基處理所要達(dá)到的目標(biāo)m值為7000KN/m4，小于T-1204儲(chǔ)罐地基處理后達(dá)到的m值13000KN/m4，級(jí)配砂石換填達(dá)到2.0m即可滿足要求。

　　3.3樁基方案確定

　　根據(jù)隔震及非隔震設(shè)計(jì)方案研究結(jié)果，采用隔震橡膠墊能降低樁基施工難度，提高上部?jī)?chǔ)罐安全性，且新增隔震墊的費(fèi)用，與樁基設(shè)計(jì)優(yōu)化后減少的費(fèi)用基本相同，不會(huì)導(dǎo)致費(fèi)用增加。擴(kuò)建工程最終確定采用樁頂隔震的樁基設(shè)計(jì)方案。

　　橡膠支座產(chǎn)品包括天然橡膠支座、鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座、滑板支座、三維隔震支座等。由于LNG儲(chǔ)罐的隔震橡膠墊為非定型產(chǎn)品，與常見的應(yīng)用于橋梁、建筑上的橡膠支座不同，需要制造廠家根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行定制并按技術(shù)要求進(jìn)行型式試驗(yàn)，合格后才能進(jìn)行量產(chǎn)。為了從國(guó)內(nèi)廠家中選出符合LNG儲(chǔ)罐用技術(shù)要求的橡膠墊產(chǎn)品，由業(yè)主和總包組成的考察組先后對(duì)多家潛在供貨商進(jìn)行了實(shí)地考察，根據(jù)考察結(jié)果，最終選擇了高阻尼隔震橡膠支座作為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐樁基隔震支座。

　　4隔震墊應(yīng)用效果分析

　　4.1工程應(yīng)用效果分析

　　采用隔震方案后，減少樁基水平荷載71%，減少豎向荷載28%，提高儲(chǔ)罐抗震性能。地基處理要求大大降低，墊層換填深度從3.5m降為2m厚度，降低了施工難度和費(fèi)用。混凝土底板在熱脹冷縮時(shí)受到樁基的約束減小，有效改善承臺(tái)混凝土表面的溫度裂紋。樁基施工可采用一次整體成型的施工工藝，節(jié)省樁基施工工期，降低鋼筋用量15%。增加隔震墊后降低了樁徑，混凝土用量節(jié)省14%。

　　相較于落地承臺(tái)，儲(chǔ)罐底板不再需要設(shè)置電伴熱系統(tǒng)，節(jié)省了直接投資和后期維護(hù)成本。預(yù)應(yīng)力混凝土外罐、Ni9鋼內(nèi)罐設(shè)計(jì)也相應(yīng)進(jìn)行了優(yōu)化，如罐壁厚度從變截面改為等截面，取消了較難施工的內(nèi)罐錨帶及膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化減小內(nèi)罐壁板厚度等，節(jié)省了工期。樁頂隔震措施降低了液體在地震工況下對(duì)底板的作用效應(yīng)，底板中部和外圈厚度優(yōu)化降低。

　　4.2經(jīng)濟(jì)效益分析

　　單座LNG儲(chǔ)罐隔震墊支座購(gòu)置費(fèi)1400萬(wàn)。采用隔震設(shè)計(jì)后，樁徑降低，混凝土及鋼筋費(fèi)用減少1000萬(wàn)。與已建的20萬(wàn)方LNG儲(chǔ)罐相比，節(jié)省了電伴熱、錨固帶及膨脹節(jié)的購(gòu)置費(fèi)約500萬(wàn)。9%Ni鋼板用量降低節(jié)省費(fèi)用約600萬(wàn)。外罐設(shè)計(jì)優(yōu)化帶來施工成本降低約800萬(wàn)。可見，雖然采用隔震方案增加了橡膠支座的購(gòu)置費(fèi)，但儲(chǔ)罐抗震性能提高帶來的一系列優(yōu)化，仍使儲(chǔ)罐建設(shè)投資降低了1500萬(wàn)。

　　工程論文投稿刊物：巖土力學(xué)是由中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所主辦的綜合性巖土力學(xué)與工程學(xué)術(shù)期刊。設(shè)置欄目有：巖土力學(xué)、巖土工程、典型工程實(shí)錄、測(cè)試技術(shù)與測(cè)試方法、綜述、討論、信息、學(xué)術(shù)與工程動(dòng)態(tài)、學(xué)術(shù)講座。

　　5總結(jié)

　　LNG儲(chǔ)罐一般均建設(shè)在沿海地帶，為松軟地基，高承臺(tái)加高阻尼隔震支座的樁基設(shè)計(jì)方案，從很大程度上降低了儲(chǔ)罐的地震響應(yīng)，降低樁基的施工難度，對(duì)提高儲(chǔ)罐和樁基的抗震安全性具有十分重要的意義。結(jié)合采用橡膠隔震墊帶來的一系列設(shè)計(jì)優(yōu)化來看，其經(jīng)濟(jì)性也更好。綜合而言，高阻尼隔震橡膠支座在江蘇LNG接收站20萬(wàn)方LNG儲(chǔ)罐的應(yīng)用非常成功，也為后期的LNG儲(chǔ)罐建設(shè)提供了重要參考和借鑒。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]李云鵬，王芝銀.LNG儲(chǔ)罐高低承臺(tái)樁基礎(chǔ)抗震性能對(duì)比分析[J].巖土力學(xué)，2010，11(31).

　　作者：張水紅