賈桂敬 甄 軍
中海油石化工程有限公司 濟(jì)南 250101
對(duì)于全容式大型LNG儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其作用標(biāo)準(zhǔn)值及分項(xiàng)系數(shù)的取值、作用效應(yīng)組合的合理性以及目標(biāo)設(shè)計(jì)采用的結(jié)構(gòu)分析方法的不同將直接決定儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的可靠度與經(jīng)濟(jì)性。《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[1]GB50068-2018規(guī)定了不同設(shè)計(jì)狀況應(yīng)進(jìn)行的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)及作用組合,是我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系的頂層標(biāo)準(zhǔn),是大型LNG全容式儲(chǔ)罐(下稱儲(chǔ)罐)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)已于2019年4月1日正式頒布實(shí)施,但儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB51156等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)卻沒有同步修編,為工況復(fù)雜的LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了困難,特別是儲(chǔ)罐各工況作用的分項(xiàng)系數(shù)的取值缺少標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。因此,滿足GB50068目標(biāo)可靠指標(biāo)的LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的研究就顯得尤為迫切和重要。
基于GB50068標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)思想,大型全容式LNG儲(chǔ)罐樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行持久、短暫、偶然、地震四種設(shè)計(jì)狀況的極限狀態(tài)設(shè)計(jì),應(yīng)對(duì)樁承臺(tái)、基樁的不同極限狀態(tài)分別進(jìn)行計(jì)算或驗(yàn)算。實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)鍵是基于GB50068標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)則進(jìn)行工況分析,設(shè)計(jì)狀況的劃分,作用標(biāo)準(zhǔn)值的確定,作用分項(xiàng)系數(shù)的取值(特別是具有限值特征的作用分項(xiàng)系數(shù)取值),作用效應(yīng)組合。
大型全容式LNG儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遇到的工況較多,每一工況的作用工況又有多種,作用效應(yīng)的組合邏輯也較復(fù)雜。針對(duì)這些復(fù)雜問題,本文以儲(chǔ)罐樁基礎(chǔ)可靠性設(shè)計(jì)為核心,提供清晰的結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)思路和方法。
對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)狀況的定義劃分,GB50068與歐標(biāo)《結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》EN1990:2002[2]給出了相同的劃分原則,但儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)EN14620[3]、GB/T26978卻未給出原則性要求。這就導(dǎo)致了儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)(ULS)設(shè)計(jì)、正常使用極限狀態(tài)(SLS)設(shè)計(jì)的作用效應(yīng)組合缺失原則性依據(jù)。
對(duì)于極限狀態(tài)設(shè)計(jì)應(yīng)區(qū)分不同的設(shè)計(jì)狀況,GB50068、EN1990均有明確規(guī)定,給出了兩類極限狀態(tài)設(shè)計(jì)作用組合的原則和公式,為下游標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了準(zhǔn)則和大綱。但工程設(shè)計(jì)界和標(biāo)準(zhǔn)編制者卻對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)沒有引起足夠的重視。經(jīng)梳理發(fā)現(xiàn),與儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)大多未清晰執(zhí)行GB50068關(guān)于“設(shè)計(jì)狀況”的相關(guān)要求,因此造成了目前儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上的不協(xié)調(diào)。
儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)分析缺乏技術(shù)層面的規(guī)范性支撐,但在結(jié)構(gòu)分析之后的儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,我國(guó)的工程標(biāo)準(zhǔn)體系是比較完整的,幾乎涵蓋了儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)每一細(xì)節(jié)的技術(shù)需求。過度依賴國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),既不符合國(guó)家建筑工程法規(guī)要求,又限制了儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、國(guó)產(chǎn)化,也為工程檢驗(yàn)和驗(yàn)收增加了很大的不便。
(1)忽視標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的系統(tǒng)性,越過GB50068標(biāo)準(zhǔn)的基本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,片面引用國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)。主要表現(xiàn)為作用屬性的取值在不同標(biāo)準(zhǔn)體系中隨意選取,作用效應(yīng)組合違背GB50068的基本原則。
(2)“作用效用的計(jì)算、組合及構(gòu)件截面配筋”交叉執(zhí)行中外不同背景的抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。這樣,設(shè)計(jì)項(xiàng)分別選用不同體系的標(biāo)準(zhǔn),有可能發(fā)生偏離GB50068目標(biāo)可靠指標(biāo)的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。
目前未見緊扣GB50068標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)文獻(xiàn)。一些文獻(xiàn)和儲(chǔ)罐工程設(shè)計(jì),對(duì)于實(shí)現(xiàn)SSE水準(zhǔn)的抗震設(shè)防目標(biāo)僅僅采用了基于反應(yīng)譜的彈性模型設(shè)計(jì)方法;個(gè)別儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)甚至越過OBE直接采用SSE設(shè)防水準(zhǔn)進(jìn)行儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì),簡(jiǎn)單粗糙的設(shè)計(jì)方法造成了工程的極大浪費(fèi)并存在安全隱患。
高承臺(tái)樁儲(chǔ)罐屬于豎向不規(guī)則的大型構(gòu)筑物,結(jié)構(gòu)可靠度水準(zhǔn)要求較高,同時(shí)由于儲(chǔ)罐的穹頂鋼筋混凝土薄殼跨度大于60m,根據(jù)國(guó)家建筑行業(yè)管理法規(guī)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》(建質(zhì)[2015年]67號(hào))規(guī)定,LNG儲(chǔ)罐應(yīng)進(jìn)行抗震設(shè)防專項(xiàng)審查,目前未見被審查的項(xiàng)目案例。
GB51156第7.3.6條規(guī)定了OBE和SSE儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)分析方法,并以此作為儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)防目標(biāo)的基本原則。然而在儲(chǔ)罐基樁設(shè)計(jì)上,目前個(gè)別文獻(xiàn)在實(shí)現(xiàn)SSE水準(zhǔn)的設(shè)防目標(biāo)的研究方法上存在誤區(qū):選用SSE水準(zhǔn)下的地震動(dòng)參數(shù),卻用地震反應(yīng)譜法計(jì)算地震作用,再以ANSYS軟件的彈性模型進(jìn)行地震分析,并以此作用效應(yīng)進(jìn)行樁體設(shè)計(jì)。某些工程的LNG儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也采用了同樣的做法。筆者認(rèn)為,以SSE水準(zhǔn)去實(shí)現(xiàn)OBE的抗震設(shè)防目標(biāo)的研究設(shè)計(jì)方法存在儲(chǔ)罐抗震設(shè)防水準(zhǔn)與對(duì)應(yīng)的設(shè)防目標(biāo)錯(cuò)配的錯(cuò)誤,也是極端浪費(fèi)的設(shè)計(jì)方法。儲(chǔ)罐抗震設(shè)防水準(zhǔn)錯(cuò)配抗震設(shè)防目標(biāo),采用罕遇地震水準(zhǔn)的地震作用效應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)(承載力設(shè)計(jì)、抗裂設(shè)計(jì)、裂縫寬度控制、構(gòu)件變形控制等),違背了中外抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基本原則。
將儲(chǔ)罐OBE和SSE兩種地震的設(shè)防水準(zhǔn)和設(shè)防目標(biāo)與《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010[6](下稱抗規(guī)10)、Eurocode 8的設(shè)防水準(zhǔn)和設(shè)防目標(biāo)進(jìn)行對(duì)照分析,筆者認(rèn)為:OBE的抗震設(shè)防目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)較高,目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)應(yīng)按中震彈性要求進(jìn)行設(shè)計(jì);SSE的抗震設(shè)防目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較低,目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)應(yīng)按抗規(guī)10的罕遇地震要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。
作用代表值是指作用的標(biāo)準(zhǔn)值、組合值、頻遇值、準(zhǔn)永久組合值;作用代表值屬性是指作用標(biāo)準(zhǔn)值系數(shù)、組合值系數(shù)、頻遇值系數(shù)、準(zhǔn)永久組合值系數(shù),又稱荷載系數(shù)。
儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)分析前應(yīng)進(jìn)行施工安裝、檢修、壓力試驗(yàn)、運(yùn)行操作、地震、偶然事件等工況分析,確定每一工況可能發(fā)生的作用工況,根據(jù)工藝生產(chǎn)情況,分析比對(duì)各種作用的概率分布,確定作用屬性,步驟如下:
(1)按照EN14620及《液化天然氣接收站工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB51156-2015[5]的要求確定儲(chǔ)罐各工況的作用。
(2)按照GB50068給出的原則將各種作用劃分為不同的設(shè)計(jì)狀況。
(3)根據(jù)《石油化工建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 51006-2014[4]確定常見作用代表值的屬性。
(1)具有概率統(tǒng)計(jì)特征作用的標(biāo)準(zhǔn)值,其作用屬性取相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值。
(2)作用分項(xiàng)系數(shù)根據(jù)作用的概率分布和統(tǒng)計(jì)參數(shù)及規(guī)定的可靠指標(biāo)通過計(jì)算分析并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)經(jīng)優(yōu)化確定,作用(包括永久作用、可變作用等)分項(xiàng)系數(shù)取值越高,相應(yīng)的結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)置水平也就越高。
不可能被超越或可控制其極限值的作用屬于有界作用,儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的許多作用工況具有該特點(diǎn),例如儲(chǔ)罐儲(chǔ)液的最高液位重量,水壓試驗(yàn)的極限水位水重等均屬于有界作用。此最高液位重量即該工況作用的標(biāo)準(zhǔn)值,其超越概率已趨近于零。因此,根據(jù)實(shí)際的操作工況,以可變作用的上限值為標(biāo)準(zhǔn)值時(shí),其作用分項(xiàng)系數(shù)可取值1.0;組合值系數(shù)、頻遇值系數(shù)、準(zhǔn)永久值系數(shù)均可取值1.0。
將基于GB50068標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)各工況的作用及其屬性的分析結(jié)果進(jìn)行整理,見表1。
表1 儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)作用及屬性
(1)以GB50068的概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)要求為準(zhǔn)則,以作用分項(xiàng)系數(shù)的取值滿足目標(biāo)可靠指標(biāo)要求為目標(biāo),儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)分析執(zhí)行GB51156的原則和規(guī)定。
(2)不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)采用不同的結(jié)構(gòu)分析簡(jiǎn)化模型,如穹頂結(jié)構(gòu)與樁基礎(chǔ)可分別采用不同的結(jié)構(gòu)分析模型。
(3)不同水準(zhǔn)的抗震設(shè)防目標(biāo)采用不同的結(jié)構(gòu)分析方法。
儲(chǔ)罐的工況分為安裝工況、壓力試驗(yàn)工況、操作工況,工況分析是儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)分析的關(guān)鍵性環(huán)節(jié),應(yīng)將可變作用工況按照GB50068給出的原則分門別類,劃分到不同的設(shè)計(jì)狀況中,作用屬性見表1。
基樁地震作用分析采用內(nèi)罐儲(chǔ)液附加質(zhì)量和基樁彈性嵌固模型,該模型既能有效模擬內(nèi)罐液體的動(dòng)力效應(yīng),又能考慮樁土相互作用,滿足樁基礎(chǔ)基樁設(shè)計(jì)精度要求。
根據(jù)50年超越概率10%地震水準(zhǔn)的地震動(dòng)參數(shù),采用地震反應(yīng)譜法進(jìn)行中震彈性設(shè)計(jì);采用動(dòng)力彈性時(shí)程分析進(jìn)行補(bǔ)充分析。取兩者的最大作用效應(yīng)進(jìn)行地震組合,進(jìn)行構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)和儲(chǔ)罐整體位移控制,滿足規(guī)范相關(guān)限值要求。
SSE作用效應(yīng)的計(jì)算應(yīng)超越反應(yīng)譜的約束,以O(shè)BE抗震設(shè)計(jì)的配筋結(jié)果,根據(jù)50年超越概率2%的地震水準(zhǔn)的地震動(dòng)參數(shù),采用基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法,進(jìn)行動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析[8],同時(shí)考慮材料非線性和幾何非線性。基于此種分析方法才能發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)罐遭受破壞的危險(xiǎn)部位,預(yù)判儲(chǔ)罐構(gòu)件塑性變形以及損傷情況,判斷結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)制、薄弱環(huán)節(jié)等。
短暫設(shè)計(jì)狀況的作用工況及熱效工況應(yīng)均采用靜力彈性模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,獲得基樁設(shè)計(jì)單工況作用效應(yīng)。
SSE應(yīng)考慮樁周地基土的塑性變形,其余工況采用樁土線彈性模型。
儲(chǔ)罐樁基礎(chǔ)的基樁設(shè)計(jì)應(yīng)考慮包括持久、短暫、偶然、OBE、SSE五種設(shè)計(jì)狀況的作用工況,詳見表2。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),短暫設(shè)計(jì)狀況的罐頂安裝、罐頂檢修、穹頂鋼結(jié)構(gòu)氣體升頂、罐頂砼施工氣體保壓、外罐氣壓正壓試驗(yàn)、外罐氣壓負(fù)壓試驗(yàn)對(duì)基礎(chǔ)的影響均可以忽略,因此基樁設(shè)計(jì)時(shí)不考慮其效應(yīng)組合。
基于GB50068標(biāo)準(zhǔn)的儲(chǔ)罐樁基礎(chǔ)基樁設(shè)計(jì)作用及其組合見表2,并遵守以下原則:
(1)儲(chǔ)罐基樁設(shè)計(jì)按照GB50068給出的組合公式及表2給出的組合原則進(jìn)行作用效用組合;不同的設(shè)計(jì)狀況分別進(jìn)行組合并注意各類作用的時(shí)空關(guān)系;區(qū)分在EN14620中沒有區(qū)分開來的偶然組合和SSE地震組合。
(2)基樁OBE的ULS設(shè)計(jì),其作用效應(yīng)計(jì)算采用線性分析模型,對(duì)單一作用逐一分析,采用作用效應(yīng)的地震組合并考慮作用效用調(diào)整,按式(1)組合和驗(yàn)算;OBE的SLS抗震變形計(jì)算為地震單工況作用效應(yīng),不存在作用效應(yīng)組合問題。
η(γGSGE+γESEk)≤R/γRE
(1)
式中,η為作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值調(diào)整系數(shù),詳見抗規(guī)10給出的規(guī)則。
(3)SSE水準(zhǔn)的抗震設(shè)計(jì),其作用分析為非線性分析,先進(jìn)行作用組合再進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,按式(2)進(jìn)行組合和驗(yàn)算。
SGE+SEk (2) 式中,Ru為基樁承載力極限值;其余符號(hào)說明詳見抗規(guī)10。 (1)“OBE+泄漏”組合不符合OBE的抗震設(shè)防目標(biāo)要求,因此儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)不應(yīng)考慮該組合。 (2)空罐為安裝或檢修階段的狀態(tài),屬短暫設(shè)計(jì)狀況,因此空罐工況不與地震工況組合,這與EN14620的觀點(diǎn)有所不同。 7.1.1 ULS設(shè)計(jì) 基樁ULS設(shè)計(jì)根據(jù)表2給出的不同設(shè)計(jì)狀況分別進(jìn)行效應(yīng)組合。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),短暫設(shè)計(jì)狀況除水壓試驗(yàn)外其余可變作用在樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中不起控制作用,因此,基樁設(shè)計(jì)不考慮短暫設(shè)計(jì)狀況的其它作用效應(yīng);其余設(shè)計(jì)狀況均應(yīng)進(jìn)行基樁ULS設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)項(xiàng)如下:①單樁豎向及水平向承載力特征值計(jì)算;②群樁基礎(chǔ)基樁豎向及水平承載力特征值計(jì)算;③群樁基礎(chǔ)基樁豎向及水平承載力驗(yàn)算;④基樁樁身配筋設(shè)計(jì)或驗(yàn)算。 表2 基樁設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的作用及組合原則 7.1.2 SLS設(shè)計(jì) 基樁SLS設(shè)計(jì)只考慮持久設(shè)計(jì)狀況,根據(jù)表2持久設(shè)計(jì)狀況的作用進(jìn)行SLS設(shè)計(jì);其余設(shè)計(jì)狀況均無(wú)須SLS設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)項(xiàng)如下:①基樁水平位移驗(yàn)算;②樁身裂縫計(jì)算;③群樁基礎(chǔ)沉降計(jì)算。 GB51156規(guī)定的SSE抗震設(shè)計(jì)并非構(gòu)件層面的配筋、撓度和裂縫設(shè)計(jì),而是指整體結(jié)構(gòu)變形、薄弱層及構(gòu)件損傷的檢驗(yàn)設(shè)計(jì),主要用來驗(yàn)證OBE抗震設(shè)計(jì)結(jié)果是否滿足SSE設(shè)防目標(biāo),這是SSE設(shè)計(jì)的真正寓意所在,一些文獻(xiàn)和項(xiàng)目在此存在錯(cuò)誤的理解。 (1)GB51156規(guī)定了SSE工況下樁的水平承載力限值可取其水平極限承載力,但沒有說明是彈性分析作用效應(yīng)還是彈塑性分析作用效應(yīng),兩種分析方法樁的地震響應(yīng)差異較大。 (2)針對(duì)儲(chǔ)罐OBE、SSE工況的地震整體位移控制要求。 (3)儲(chǔ)罐抗震性能化設(shè)計(jì)。 (4)儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析。 本文對(duì)LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行了分析,提出了以GB50068為準(zhǔn)則的儲(chǔ)罐樁基礎(chǔ)基樁設(shè)計(jì)方法: (1)確定樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)狀況。 (2)分析確定樁基礎(chǔ)進(jìn)行ULS、SLS設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)狀況。 (3)確定基樁設(shè)計(jì)的作用工況并基于結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠指標(biāo)進(jìn)行屬性分析。 (4)根據(jù)本文給出的原則和方法確定基樁ULS、SLS設(shè)計(jì)項(xiàng)作用效應(yīng)組合。 (5)以O(shè)BE水準(zhǔn)進(jìn)行儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)中震彈性分析,以此進(jìn)行地震組合及基樁ULS設(shè)計(jì)。 (6)采用動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析法進(jìn)行儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)SSE分析及儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)綜合評(píng)估。 (7)以各設(shè)計(jì)狀況作用效應(yīng)的基本組合進(jìn)行基樁配筋設(shè)計(jì)。 (8)以持久設(shè)計(jì)狀況作用效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合、準(zhǔn)永久組合分別計(jì)算基樁水平位移、裂縫和沉降。 以GB50068為準(zhǔn)則的LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),將獲得較好的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效果,期望本文對(duì)LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。6.3 效應(yīng)組合注意事項(xiàng)
7 儲(chǔ)罐樁基礎(chǔ)基樁設(shè)計(jì)
7.1 樁基礎(chǔ)基樁設(shè)計(jì)項(xiàng)目[7]
7.2 樁基SSE抗震設(shè)計(jì)解讀
7.3 尚需研究的問題
8 結(jié)語(yǔ)