上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)研究有限公司 曹 艷

在天然氣應(yīng)急調(diào)峰儲(chǔ)配站的建設(shè)項(xiàng)目中，LNG雙金屬常壓低溫儲(chǔ)罐(以下簡(jiǎn)稱LNG全容罐)的應(yīng)用非常廣泛。不同于常規(guī)的小型立式設(shè)備，LNG全容罐的自重和儲(chǔ)存介質(zhì)的荷載較大，且承受的水平及豎向地震作用也較大，上部結(jié)構(gòu)對(duì)地基沉降非常敏感，同時(shí)還有基礎(chǔ)與相鄰?fù)寥赖臐B透及凍脹等問(wèn)題，因此儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，也是石油化工及燃?xì)庑袠I(yè)的工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)掌握的內(nèi)容。

1 LNG全容罐的基礎(chǔ)類型

1.1 淺基礎(chǔ)

LNG全容罐直接座落于持力層上的鋼筋混凝土筏形基礎(chǔ)，罐體底部或基礎(chǔ)頂部一般設(shè)有隔冷材料或電(蒸汽)伴熱設(shè)施。

該基礎(chǔ)型式雖然工程量小，施工周期短，但對(duì)場(chǎng)地土要求非常高。LNG接收站一般選址在沿海軟土地區(qū)，天然地質(zhì)情況很難符合要求，采取地基處理，則造價(jià)高昂、經(jīng)濟(jì)性差。因此，實(shí)際建設(shè)過(guò)程中淺基礎(chǔ)除巖石地基等特殊情況外較少使用。

1.2 樁基礎(chǔ)

一般可分為低樁承臺(tái)基礎(chǔ)和高樁承臺(tái)基礎(chǔ)。其中，低樁承臺(tái)基礎(chǔ)又可分為由低樁支撐的地面樁筏基礎(chǔ)和置于由柱(或墻板)支撐的雙層架空樁筏基礎(chǔ)兩種形式。高樁承臺(tái)基礎(chǔ)是指罐體置于由高樁支撐的架空樁筏基礎(chǔ)。

1.2.1 地面樁筏基礎(chǔ)

為防止地基土凍脹，減少由LNG低溫儲(chǔ)罐傳入基礎(chǔ)的冷量，在承臺(tái)內(nèi)需要埋入一定量的電阻絲(電伴熱)，使與基礎(chǔ)直接相接觸的地基土溫度高于凍脹溫度。采用這種電伴熱方法時(shí)，布置加熱盤管復(fù)雜，電器要求防爆，控制系統(tǒng)繁復(fù)，且需要經(jīng)常進(jìn)行檢測(cè)維修，后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用有一定的增加。

采用該基礎(chǔ)型式，在水平地震作用工況下，樁頂豎向壓力及承臺(tái)頂面彎矩與其他基礎(chǔ)型式相比較小，對(duì)于抗震設(shè)防烈度較高的建設(shè)場(chǎng)地具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，直接使基礎(chǔ)工程量得到有效的減小，施工周期也相應(yīng)較短，但配套的電伴熱系統(tǒng)及后期運(yùn)行維護(hù)的造價(jià)又使工程造價(jià)有一定的提高。

因此，地面樁筏基礎(chǔ)適用于罐體容積中等(5000 ～30 000 m3)、建設(shè)場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度較高(8度及以上)、供電系統(tǒng)建設(shè)工程量不大的建設(shè)項(xiàng)目。

1.2.2 雙層架空樁筏基礎(chǔ)

當(dāng)基礎(chǔ)頂部安裝和維護(hù)電伴熱系統(tǒng)不適宜、不經(jīng)濟(jì)時(shí)，應(yīng)采用架空基礎(chǔ)。

該基礎(chǔ)型式是由置于天然地基上的承臺(tái)與架空的鋼筋混凝土厚板組成的雙層架空樁筏基礎(chǔ)，兩層厚板之間由鋼筋混凝土柱支撐并將上層儲(chǔ)罐荷載傳遞至下層筏板再傳至樁。上層厚板板底高出地面1.5～2.0 m，給空氣流動(dòng)留有通道，同時(shí)加長(zhǎng)了冷量的傳遞路徑，利用流動(dòng)的環(huán)境空氣帶走冷量。自然通風(fēng)，無(wú)需控制系統(tǒng)，也無(wú)防爆憂慮，同時(shí)儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的抬高也有利于提高LNG的外輸壓力。

其缺點(diǎn)是在水平地震作用工況下，樁頂豎向壓力以及承臺(tái)頂面彎矩變大，且施工周期較長(zhǎng)，雙層板加短柱使工程量變大，是所有基礎(chǔ)型式中最大的一種。該基礎(chǔ)形式的優(yōu)點(diǎn)是不需要額外布置電伴熱，且受力形式明確，施工工序簡(jiǎn)單，不需要進(jìn)行場(chǎng)地地基土的處理，在實(shí)際應(yīng)用中非常廣泛。

因此，雙層架空樁筏基礎(chǔ)適合用于罐體容積中等(5 000～30 000 m3)、建設(shè)場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度較低(7度以下)的建設(shè)項(xiàng)目。

1.2.3 高樁承臺(tái)基礎(chǔ)

當(dāng)基礎(chǔ)頂部安裝和維護(hù)電伴熱系統(tǒng)不適宜、不經(jīng)濟(jì)，同時(shí)采用高樁設(shè)計(jì)合理時(shí)，宜采用高樁承臺(tái)基礎(chǔ)。

采用該基礎(chǔ)型式對(duì)基樁的承載力要求較高，設(shè)計(jì)難度較大，表層地基土通常需要換填處理，且出地面部分樁基施工復(fù)雜，故施工周期較長(zhǎng)，土建費(fèi)用有一定的提高。整體土建工程量與地面樁筏基礎(chǔ)相比增加不大，且省去電伴熱系統(tǒng)的預(yù)埋安裝與后期維護(hù)費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)優(yōu)勢(shì)非常明顯。隨著設(shè)計(jì)及施工能力的提高，近年來(lái)在大型LNG儲(chǔ)罐建設(shè)項(xiàng)目中應(yīng)用最為廣泛。

因此，高樁承臺(tái)基礎(chǔ)(架空樁筏基礎(chǔ))適合用于罐體容積較大(30 000～50 000 m3)、建設(shè)場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度較低(7度以下)，且場(chǎng)地地基淺層土承載力較差的建設(shè)項(xiàng)目。

綜合上述各種基礎(chǔ)類型的優(yōu)缺點(diǎn)，見(jiàn)表1。

表1 LNG雙金屬全容罐基礎(chǔ)類型特點(diǎn)

2 LNG全容罐基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)使用年限和設(shè)計(jì)等級(jí)

LNG全容罐基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 a，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。設(shè)計(jì)的主要依據(jù)有：LNG儲(chǔ)罐承包商提供的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)資料；工藝、管道、設(shè)備專業(yè)提供的條件；《巖土工程勘察報(bào)告》(詳細(xì)勘察階段)；國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等。

2.2 荷載和荷載組合

2.2.1 荷載

對(duì)各荷載具體描述見(jiàn)表2，對(duì)LNG全容罐基礎(chǔ)的荷載示意如圖1所示。

圖1 LNG全容罐基礎(chǔ)荷載示意

表2 LNG雙金屬全容罐基礎(chǔ)荷載明細(xì)

荷載分項(xiàng)系數(shù)可參考GB 50068－2018《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》、GB 50011－2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016版)》及GB 51156－2015《液化天然氣接收站工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定。

LNG全容罐基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的荷載主要包括永久荷載、可變荷載和偶然荷載等。其中:永久荷載是指儲(chǔ)罐自重及基礎(chǔ)自重和基礎(chǔ)上的土重等?？勺兒奢d主要包括儲(chǔ)罐中的LNG重、正常操作工況的氣壓和真空負(fù)壓、充水試驗(yàn)工況的水重、氣壓試驗(yàn)工況的氣壓、罐頂鋼平臺(tái)活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載及熱效應(yīng)等。偶然荷載主要指爆炸荷載、沖擊荷載、火災(zāi)熱輻射作用以及泄露工況荷載等。一般情況下，LNG全容罐僅考慮內(nèi)罐泄漏時(shí)對(duì)鋼制外罐的作用。

根據(jù)GB/T 20368－2012《液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝運(yùn)》及GB 51156－2015《液化天然氣接收站工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，LNG儲(chǔ)罐及其攔蓄系統(tǒng)，應(yīng)按操作基準(zhǔn)地震(OBE)和安全停運(yùn)地震(SSE)兩水準(zhǔn)地震動(dòng)設(shè)計(jì)，在OBE期間及之后儲(chǔ)罐系統(tǒng)應(yīng)能繼續(xù)運(yùn)行；在SSE期間及之后儲(chǔ)罐的儲(chǔ)存能力不變且應(yīng)能對(duì)其進(jìn)行隔離和維修。

2.2.2 荷載工況及荷載效應(yīng)組合

不同工況時(shí)其荷載組合也有所不同。通常，空置工況下的荷載組合主要由永久荷載組成，不包括儲(chǔ)存液體和設(shè)計(jì)氣壓；操作工況時(shí)則要考慮由永久荷載、設(shè)計(jì)液位重、設(shè)計(jì)氣壓、操作平臺(tái)活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載及OBE或SSE地震荷載分別進(jìn)行組合；試驗(yàn)工況時(shí)除了將氣壓試驗(yàn)與水壓試驗(yàn)分別進(jìn)行組合，還需考慮風(fēng)荷載作用；泄露工況時(shí)僅考慮內(nèi)罐泄漏時(shí)對(duì)鋼制外罐的OBE地震作用效應(yīng)。表3為各種荷載工況組合。

LNG全容罐基礎(chǔ)荷載效應(yīng)組合可參照表3的荷載工況進(jìn)行組合，通常有標(biāo)準(zhǔn)組合、基本組合及準(zhǔn)永久組合等。其中：標(biāo)準(zhǔn)組合用于正常使用極限狀態(tài)，確定樁數(shù)、布樁、承臺(tái)及樁身裂縫；基本組合用于承載能力極限狀態(tài)，確定樁身水平及豎向承載力、樁身配筋、承臺(tái)尺寸及配筋；準(zhǔn)永久組合用于正常使用極限狀態(tài)，計(jì)算沉降。具體荷載組合按GB 50007－2012《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》執(zhí)行。

表3 LNG全容罐基礎(chǔ)荷載工況組合明細(xì)

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 計(jì)算方法

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算內(nèi)容包括：樁基承載力、樁身強(qiáng)度計(jì)算；沉降驗(yàn)算；抗震承載力驗(yàn)算；以及鋼筋混凝土構(gòu)件的承載力計(jì)算及裂縫變形驗(yàn)算等。不同的基礎(chǔ)類型，選用的計(jì)算方法也有所不同。

(1) 對(duì)于低樁承臺(tái)的地面樁筏基礎(chǔ)宜采用彈性地基板單元，并采用有限元法分析。

(2) 對(duì)于低樁承臺(tái)的雙層架空樁筏基礎(chǔ)，基礎(chǔ)筏板有限元分析宜考慮上部結(jié)構(gòu)的剛度；對(duì)于筏板厚度不小于柱間距1/4的筏板單元，有限元宜采用厚板模型，考慮筏板的尺寸效應(yīng)，最小單元?jiǎng)澐挚梢圆捎门c柱截面邊長(zhǎng)相同或相近的尺寸。 該基礎(chǔ)的頂板采用有限元分析時(shí)，為了方便進(jìn)行有限元?jiǎng)澐趾蛯?dǎo)荷，可在頂板邊緣及各柱間布置虛梁，也可在上述位置布置高度與板厚相同、寬度與柱截面相同的暗梁。頂板應(yīng)采用彈性板，同時(shí)考慮平面內(nèi)和平面外剛度。

(3) 對(duì)于高樁承臺(tái)基礎(chǔ)的基樁設(shè)計(jì)，應(yīng)參照J(rèn)GJ 94－2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》附錄C的方法，即考慮承臺(tái)、基樁協(xié)同工作和土的彈性抗力作用計(jì)算受水平荷載的樁基，驗(yàn)算單樁及群樁承載力，并計(jì)算樁身內(nèi)力。

對(duì)于以上各類樁基，均需要對(duì)工程樁進(jìn)行強(qiáng)度和樁身裂縫寬度驗(yàn)算。當(dāng)遇到軟土地基、液化土層、凍土等特殊條件下的樁基設(shè)計(jì)時(shí)，還需進(jìn)行有針對(duì)性的軟弱下臥層驗(yàn)算、負(fù)摩阻力計(jì)算、抗凍拔穩(wěn)定性驗(yàn)算等。

3.2 抗震設(shè)計(jì)方法

3.2.1 抗震要求

預(yù)期抗震目標(biāo)至少應(yīng)滿足GB 50011－2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016年版)》中基于性能設(shè)計(jì)的性能2要求。具體要求如下：

(1) 在設(shè)防地震(或稱OBE操作基準(zhǔn)地震)下，取50 a超越概率10%對(duì)應(yīng)的地震反應(yīng)譜進(jìn)行設(shè)計(jì)。主體結(jié)構(gòu)基本完好，處于彈性工作狀態(tài)，應(yīng)按線彈性分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計(jì)及變形驗(yàn)算，材料強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)取設(shè)計(jì)值，但與抗震等級(jí)有關(guān)的增大系數(shù)均取1.0，彈性層間位移角不應(yīng)大于[θe]([θe]為彈性層間位移角限值，對(duì)于框架結(jié)構(gòu)[θe]＝1/550)。

(2) 在罕遇地震(或稱SSE安全停運(yùn)地震)下，取50 a超越概率2%對(duì)應(yīng)的地震反應(yīng)譜進(jìn)行設(shè)計(jì)。主體結(jié)構(gòu)可以輕度破壞，宜采用彈塑性分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計(jì)及變形驗(yàn)算，材料的強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)值，承載力按極限值進(jìn)行復(fù)核，彈性層間位移角不應(yīng)大于(1.5～2.0)[θe]。

3.2.2 軟件計(jì)算方法

常用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件PKPM，有以下兩種模擬計(jì)算方法?？裳须A段可采用第一種方法計(jì)算，初設(shè)或施工圖階段可采用第二種方法驗(yàn)算，取兩次計(jì)算的包絡(luò)值(即最不利值)。

第一種是不考慮儲(chǔ)罐承包商或設(shè)備專業(yè)提供的OBE及SSE地震作用，在SATWE“性能設(shè)計(jì)”菜單中震設(shè)計(jì)點(diǎn)選“彈性”，同時(shí)地震影響系數(shù)最大值改為設(shè)防地震的數(shù)值，應(yīng)根據(jù)建設(shè)項(xiàng)目的“場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告”取用，在此狀態(tài)下進(jìn)行承載力計(jì)算及設(shè)防地震下彈性位移驗(yàn)算。同樣，大震設(shè)計(jì)點(diǎn)選“不屈服”，同時(shí)地震影響系數(shù)最大值改為罕遇地震的數(shù)值，變形驗(yàn)算需滿足彈塑性位移滿足≤(1.5～2.0)[θe]。此時(shí)，活荷載重力代表值系數(shù)取1.0。

第二種是考慮儲(chǔ)罐承包商或設(shè)備專業(yè)提供的OBE及SSE地震作用。由于廠家提供的OBE地震作用即為設(shè)防地震作用，故無(wú)需再考慮中震彈性設(shè)計(jì)，將儲(chǔ)罐承包商提供的OBE地震作用作為外加荷載(為了便于軟件自動(dòng)進(jìn)行地震組合，建議作為恒載考慮)作用于儲(chǔ)罐基礎(chǔ)頂板，需要同時(shí)考慮地震作用下的彎矩和水平力。為了方便起見(jiàn)，可將彎矩折算為一對(duì)大小相等、方向相反的豎向力；水平地震作用力可以作為節(jié)點(diǎn)荷載均分至各個(gè)柱頭?？紤]到基礎(chǔ)自重也應(yīng)按中震考慮，則需將上述OBE地震作用乘以適當(dāng)放大系數(shù)，放大系數(shù)大小可以取(1.0+u)，u值為地面以上基礎(chǔ)自重(柱重及頂板重)/設(shè)備重(含設(shè)備重及物料重)。然后進(jìn)行線彈性計(jì)算位移，需滿足位移≤[θe]。比照上述方法，將SSE地震作用即罕遇地震作用加在基礎(chǔ)頂板，然后計(jì)算位移，需滿足位移≤(1.5～2.0)[θe]。

4 結(jié)語(yǔ)

LNG全容罐是城市燃?xì)庹{(diào)峰、LNG液化廠、中小型LNG接收站等項(xiàng)目中的核心設(shè)備，其基礎(chǔ)設(shè)計(jì)更是儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力和有限元模擬軟件的發(fā)展，對(duì)于大型LNG預(yù)應(yīng)力全容罐，結(jié)合上部罐體與基礎(chǔ)同步考慮地震作用下的模態(tài)及反應(yīng)譜分析的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，未來(lái)也應(yīng)該在LNG全容罐基礎(chǔ)中考慮同步設(shè)計(jì)。當(dāng)然，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，還需要考慮基礎(chǔ)沉降的控制要求及基礎(chǔ)底板的防裂構(gòu)造措施、大體積混凝土施工措施、隔水措施等。