LNG雙金屬全容罐基礎(chǔ)設(shè)計方法探討

上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計研究有限公司 曹 艷

在天然氣應(yīng)急調(diào)峰儲配站的建設(shè)項目中，LNG雙金屬常壓低溫儲罐(以下簡稱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)對地基沉降非常敏感，同時還有基礎(chǔ)與相鄰?fù)寥赖臐B透及凍脹等問題，因此儲罐的基礎(chǔ)設(shè)計是儲罐設(shè)計的重要環(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，但對場地土要求非常高。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，則造價高昂、經(jīng)濟性差。因此，實際建設(shè)過程中淺基礎(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基礎(chǔ)和高樁承臺基礎(chǔ)。其中，低樁承臺基礎(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低溫儲罐傳入基礎(chǔ)的冷量，在承臺內(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，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)常進行檢測維修，后期運行維護費用有一定的增加。

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頂面彎矩與其他基礎(chǔ)型式相比較小，對于抗震設(shè)防烈度較高的建設(shè)場地具有非常明顯的優(yōu)勢，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)及后期運行維護的造價又使工程造價有一定的提高。

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)頂部安裝和維護電伴熱系統(tǒng)不適宜、不經(jīng)濟時，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，給空氣流動留有通道，同時加長了冷量的傳遞路徑，利用流動的環(huán)境空氣帶走冷量。自然通風(fēng)，無需控制系統(tǒng)，也無防爆憂慮，同時儲罐基礎(chǔ)的抬高也有利于提高LNG的外輸壓力。

其缺點是在水平地震作用工況下，樁頂豎向壓力以及承臺頂面彎矩變大，且施工周期較長，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)點是不需要額外布置電伴熱，且受力形式明確，施工工序簡單，不需要進行場地地基土的處理，在實際應(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)場地抗震設(shè)防烈度較低(7度以下)的建設(shè)項目。

1.2.3 高樁承臺基礎(chǔ)

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

采用該基礎(chǔ)型式對基樁的承載力要求較高，設(shè)計難度較大，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，土建費用有一定的提高。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)埋安裝與后期維護費用，經(jīng)濟性指標(biāo)優(yōu)勢非常明顯。隨著設(shè)計及施工能力的提高，近年來在大型LNG儲罐建設(shè)項目中應(yīng)用最為廣泛。

因此，高樁承臺基礎(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)場地抗震設(shè)防烈度較低(7度以下)，且場地地基淺層土承載力較差的建設(shè)項目。

綜合上述各種基礎(chǔ)類型的優(yōu)缺點，見表1。

表1 LNG雙金屬全容罐基礎(chǔ)類型特點

2 LNG全容罐基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 設(shè)計使用年限和設(shè)計等級

LNG全容罐基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50 a，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級。設(shè)計的主要依據(jù)有：LNG儲罐承包商提供的基礎(chǔ)設(shè)計資料；工藝、管道、設(shè)備專業(yè)提供的條件；《巖土工程勘察報告》(詳細(xì)勘察階段)；國內(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

對各荷載具體描述見表2，對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)

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

LNG全容罐基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計時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主要包括儲罐中的LNG重、正常操作工況的氣壓和真空負(fù)壓、充水試驗工況的水重、氣壓試驗工況的氣壓、罐頂鋼平臺活荷載、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)罐泄漏時對鋼制外罐的作用。

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

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，不包括儲存液體和設(shè)計氣壓；操作工況時則要考慮由永久荷載、設(shè)計液位重、設(shè)計氣壓、操作平臺活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載及OBE或SSE地震荷載分別進行組合；試驗工況時除了將氣壓試驗與水壓試驗分別進行組合，還需考慮風(fēng)荷載作用；泄露工況時僅考慮內(nèi)罐泄漏時對鋼制外罐的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、承臺尺寸及配筋；準(zhǔn)永久組合用于正常使用極限狀態(tài)，計算沉降。具體荷載組合按GB 50007－2012《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(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)計算分析

3.1 計算方法

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

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

(2) 對于低樁承臺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)，最小單元劃分可以采用與柱截面邊長相同或相近的尺寸。 該基礎(chǔ)的頂板采用有限元分析時，為了方便進行有限元劃分和導(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，同時考慮平面內(nèi)和平面外剛度。

(3) 對于高樁承臺基礎(chǔ)的基樁設(shè)計，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、基樁協(xié)同工作和土的彈性抗力作用計算受水平荷載的樁基，驗算單樁及群樁承載力，并計算樁身內(nèi)力。

對于以上各類樁基，均需要對工程樁進行強度和樁身裂縫寬度驗算。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)計時，還需進行有針對性的軟弱下臥層驗算、負(fù)摩阻力計算、抗凍拔穩(wěn)定性驗算等。

3.2 抗震設(shè)計方法

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)計規(guī)范(2016年版)》中基于性能設(shè)計的性能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%對應(yīng)的地震反應(yīng)譜進行設(shè)計。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行結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計及變形驗算，材料強度指標(biāo)應(yīng)取設(shè)計值，但與抗震等級有關(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，對于框架結(jié)構(gòu)[θe]＝1/550)。

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

3.2.2 軟件計算方法

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

第一種是不考慮儲罐承包商或設(shè)備專業(yè)提供的OBE及SSE地震作用，在SATWE“性能設(shè)計”菜單中震設(shè)計點選“彈性”，同時地震影響系數(shù)最大值改為設(shè)防地震的數(shù)值，應(yīng)根據(jù)建設(shè)項目的“場地地震安全性評價報告”取用，在此狀態(tài)下進行承載力計算及設(shè)防地震下彈性位移驗算。同樣，大震設(shè)計點選“不屈服”，同時地震影響系數(shù)最大值改為罕遇地震的數(shù)值，變形驗算需滿足彈塑性位移滿足≤(1.5～2.0)[θe]。此時，活荷載重力代表值系數(shù)取1.0。

第二種是考慮儲罐承包商或設(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，故無需再考慮中震彈性設(shè)計，將儲罐承包商提供的OBE地震作用作為外加荷載(為了便于軟件自動進行地震組合，建議作為恒載考慮)作用于儲罐基礎(chǔ)頂板，需要同時考慮地震作用下的彎矩和水平力。為了方便起見，可將彎矩折算為一對大小相等、方向相反的豎向力；水平地震作用力可以作為節(jié)點荷載均分至各個柱頭?？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)。然后進行線彈性計算位移，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，然后計算位移，需滿足位移≤(1.5～2.0)[θe]。

4 結(jié)語

LNG全容罐是城市燃?xì)庹{(diào)峰、LNG液化廠、中小型LNG接收站等項目中的核心設(shè)備，其基礎(chǔ)設(shè)計更是儲罐設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。近年來，隨著計算機運算能力和有限元模擬軟件的發(fā)展，對于大型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)用也越來越廣泛，未來也應(yīng)該在LNG全容罐基礎(chǔ)中考慮同步設(shè)計。當(dāng)然，在實際工程設(shè)計中，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。