10000m3LNG儲(chǔ)罐基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究

章萬勝 蔣玉敏

（1.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司第四設(shè)計(jì)研究院 天津300074；2.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司合肥分公司 230022）

引言

隨著人們環(huán)保意識(shí)的逐漸提高，清潔能源在世界范圍內(nèi)得到重視。液化天然氣（Liquefied Natural Gas，以下簡(jiǎn)稱LNG）作為一種具有低消耗、低污染等優(yōu)點(diǎn)的重要化工原料，需求量與日俱增。然而目前的天然氣資源分布并不均衡，為了最大化合理利用現(xiàn)有資源，解決LNG儲(chǔ)存問題成了當(dāng)前的重點(diǎn)工作之一，很多科研工作者對(duì)此做了相關(guān)研究，且取得了一定成果［1-6］。如羅冬雨、孫建剛等利用有限元軟件ADINA建立了16×104m3三維實(shí)體模型，對(duì)比分析了考慮樁土隔震、不隔震和不考慮樁土隔震、不隔震4種工況下儲(chǔ)罐的地震響應(yīng)［6］；李云鵬、王芝銀［7］從抗傾覆能力、自振周期、單樁水平地震力等方面對(duì)比了高、低兩種樁基承臺(tái)下儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的抗震性能。

LNG儲(chǔ)罐作為通用的LNG儲(chǔ)存方式，無論是在LNG接收站還是液化天然氣廠，都是最重要的設(shè)備之一［8］。而儲(chǔ)罐基礎(chǔ)作為支撐LNG儲(chǔ)罐的重要結(jié)構(gòu)，對(duì)其設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析研究，對(duì)天然氣的順利使用有重要意義。

考慮上述各種因素，本文通過對(duì)某10000m3LNG儲(chǔ)罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行梳理，從工藝條件、地質(zhì)情況、基礎(chǔ)選型、計(jì)算分析模型、沉降控制等方面做了介紹，同時(shí)得到相應(yīng)的結(jié)果，對(duì)后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員保證儲(chǔ)罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)合理和使用安全有一定參考價(jià)值。

1 工程概況

1.1 工藝條件

本工程為安徽省某LNG應(yīng)急調(diào)峰氣源工程項(xiàng)目，LNG儲(chǔ)罐采用單容式雙壁貯罐，內(nèi)罐盛裝低溫LNG液體，外罐盛裝保冷材料及BOG（Boil Off Gas，LNG蒸發(fā)氣體）。罐體容積為10000m3，高28.915m，外罐直徑27.000m，內(nèi)罐直徑25.000m，主要結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1 儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)Fig.1 Tank structure

1.2 工程地質(zhì)情況

項(xiàng)目位于北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，屬于抗震有利地段?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本加速度值為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，基本風(fēng)壓為0.35kN/m2。罐區(qū)主要巖土技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 典型土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Indices of physico-mechanical properties of typical soil layers

2 儲(chǔ)罐基礎(chǔ)選型

2.1 基礎(chǔ)類型介紹

LNG儲(chǔ)罐屬于低溫深冷設(shè)備（LNG常壓沸點(diǎn)為-162℃），運(yùn)行時(shí)LNG的冷量會(huì)通過儲(chǔ)罐底部傳至基礎(chǔ)，導(dǎo)致基礎(chǔ)周圍土體及基底持力層受冷破壞，從而加劇LNG儲(chǔ)罐進(jìn)出口管道的變形和沉降。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)主要通過嘗試采用不同類型基礎(chǔ)來解決這一問題，主要有：地面筏形基礎(chǔ)、柱（或墻板）支撐的高架板式基礎(chǔ)以及高樁承臺(tái)基礎(chǔ)，具體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 基礎(chǔ)類型Fig.2 Different types of foundation

地面筏形基礎(chǔ)通過電加熱的形式防止基底土壤凍結(jié)，而電加熱器的使用壽命不超過20年，加熱系統(tǒng)50年內(nèi)需更換2次［9］?？紤]長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)時(shí)造價(jià)太高，經(jīng)濟(jì)效益低，一般不予采用。

高架板式基礎(chǔ)以及高樁承臺(tái)基礎(chǔ)主要通過基礎(chǔ)架空部分周圍的空氣流動(dòng)帶走LNG的冷量。同時(shí)，為了保證基礎(chǔ)周圍土體溫度高于冷凍溫度，高架板式基礎(chǔ)的基礎(chǔ)板（或高樁承臺(tái)的承臺(tái)板）底面距離自然地面的凈空不宜少于1.5m。

對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說，儲(chǔ)罐及基礎(chǔ)的抗震性是儲(chǔ)罐基礎(chǔ)選擇時(shí)最為關(guān)注的問題之一。相關(guān)研究［7］表明，低承臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的抗震能力要優(yōu)于高樁承臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

2.2 基礎(chǔ)類型選擇

綜合對(duì)比三種基礎(chǔ)類型的經(jīng)濟(jì)性和抗震性能，本項(xiàng)目最終選取高架板式基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，將傳統(tǒng)的多樁承臺(tái)板用單樁承臺(tái)和兩樁條形承臺(tái)來替代，承臺(tái)之間設(shè)地基梁，基本布置見圖3。這種做法的優(yōu)點(diǎn)在于：一是節(jié)約材料，經(jīng)濟(jì)性好；二是地基梁與樁承臺(tái)形成整體結(jié)構(gòu)，抗震性能好，且能抑制地基不均勻沉降。主要結(jié)構(gòu)截面尺寸見表2。

表2 基礎(chǔ)截面尺寸Tab.2 Section size of foundation

圖3 承臺(tái)及地基梁布置Fig.3 Layout of cap and foundation beam

2.3 地基處理方案確定

實(shí)體方樁與預(yù)制管樁均屬于擠土樁，在使用階段，主要的工作荷載均由樁側(cè)摩阻力承擔(dān)，適用于端承摩擦樁的工作機(jī)理，以摩擦力為主。張忠苗、喻君［10］等對(duì)預(yù)制方樁和PHC管樁的受力性狀進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)在側(cè)摩阻力較高的粘土層范圍內(nèi)，PHC管樁的平均側(cè)阻要比預(yù)制方樁低8.1%，即與PHC管樁相比，預(yù)制方樁更能充分發(fā)揮樁側(cè)摩阻力。從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，實(shí)體方樁有使用壽命長(zhǎng)、承載力高、抗腐蝕性強(qiáng)、施工過程損耗小等優(yōu)點(diǎn)。

本項(xiàng)目?jī)?chǔ)罐基礎(chǔ)所在地全場(chǎng)分布②層粘土，土層厚度13.8m～15.9m，且粘土的樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值較高（qsk=95kPa），能夠充分發(fā)揮樁的側(cè)摩阻力。因此，地基處理方案選擇預(yù)制實(shí)體方樁，樁基截面為450mm×450mm，樁長(zhǎng)16.5m。

3 儲(chǔ)罐基礎(chǔ)平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 模型簡(jiǎn)介

高架板式基礎(chǔ)作為一種特殊的結(jié)構(gòu)形式，掌握其建模要點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性有重要意義。

采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件PKPM對(duì)儲(chǔ)罐上部基礎(chǔ)平臺(tái)進(jìn)行建模，將其簡(jiǎn)化為鋼筋混凝土板式框架并在外圈設(shè)置暗環(huán)梁，如圖4所示?？紤]SATWE特定的結(jié)構(gòu)傳力形式，在PMCAD建模時(shí)輸入虛梁，從而形成完整的板-梁-柱傳力體系。PKPM計(jì)算時(shí)，虛梁不參與計(jì)算，僅作為一種傳遞荷載的載體，為樓板提供邊界，同時(shí)為SlabCAD模塊中樓板單元的劃分提供路徑。

單元的形狀和大小直接影響結(jié)構(gòu)計(jì)算精度，取1000mm作為板單元?jiǎng)澐肿畲筮呴L(zhǎng)（Dmax）。較小的Dmax雖然能夠提高計(jì)算精度，但同時(shí)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使模型在一定程度上失真?？紤]到虛梁的設(shè)置，程序自動(dòng)按照虛梁位置分布劃分板單元，最終單元大小在880mm左右得到較為理想的計(jì)算結(jié)果，單元?jiǎng)澐秩鐖D5所示。

3.2 模型荷載輸入及其計(jì)算結(jié)果

不考慮罐體內(nèi)力，儲(chǔ)罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)所需部分相關(guān)荷載見表3。在水壓試驗(yàn)、正常操作、儲(chǔ)罐放空檢修以及地震作用4種荷載效應(yīng)組合條件下分別對(duì)儲(chǔ)罐基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，最終設(shè)計(jì)上部基礎(chǔ)平臺(tái)如圖6所示。承臺(tái)上方設(shè)φ700框架柱，柱上設(shè)1000mm厚儲(chǔ)罐基礎(chǔ)板，板外圈設(shè)1200mm×900mm（寬×高）暗環(huán)梁。暗環(huán)梁可作為罐壁的錨固點(diǎn)，滿足儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的功能需求，同時(shí)能有效減輕局部柱布置不均勻?qū)е碌膽?yīng)力過于集中問題。

圖4 結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Structural model

圖5 板單元?jiǎng)澐諪ig.5 Division of board unit

圖6 上部基礎(chǔ)平臺(tái)Fig.6 Foundation platform

表3 儲(chǔ)罐基礎(chǔ)荷載明細(xì)Tab.3 Load schedule of tank foundation

4 基礎(chǔ)沉降觀測(cè)

在每一直徑圓基礎(chǔ)上設(shè)置6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)（D1～D6）作為沉降觀測(cè)的控制點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)采用M20粗制圓頭鉚釘，高出地面0.5m。具體布置方式為：罐中心對(duì)稱布2個(gè)，沿外徑均勻布4個(gè)，均設(shè)置在框架柱上，如圖3所示。

考慮儲(chǔ)罐試水時(shí)間較短，不能準(zhǔn)確反映出正常操作條件下LNG對(duì)儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的作用力，取1.25倍物料滿載時(shí)的重力作為試驗(yàn)壓力。設(shè)定上水速度為50m3/d，充水高度為12.66m，具體預(yù)壓方案如表4所示。

表4 充水預(yù)壓方案Tab.4 Scheme of water preloading test

表5為充水試驗(yàn)得到的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)。分別取3m水位、6m水位、9m水位、12m水位及放水后的觀測(cè)值進(jìn)行分析，結(jié)果表明：

1.儲(chǔ)罐基礎(chǔ)在整個(gè)充水周期內(nèi)沉降均勻，且在允許范圍內(nèi)變化；

2.儲(chǔ)罐基礎(chǔ)累積沉降最大值為4mm，滿足最大允許沉降25mm的要求。

3.在充水預(yù)壓的過程中，儲(chǔ)罐基礎(chǔ)已經(jīng)完成主要沉降，地基基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

表5 沉降觀測(cè)結(jié)果Tab.5 Results of settlement observation

5 結(jié)論

本文基于安徽省某LNG應(yīng)急調(diào)峰氣源工程項(xiàng)目，介紹了LNG儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)過程，并對(duì)完工后的充水預(yù)壓試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證分析，得到了如下結(jié)論：

1.與傳統(tǒng)多樁承臺(tái)相比，通過地基梁將單樁承臺(tái)與兩樁條形承臺(tái)連接，不僅節(jié)約材料，且整體抗震性能強(qiáng)，能夠有效抑制地基不均勻沉降。

2.PKPM建模計(jì)算時(shí)應(yīng)設(shè)置虛梁，使結(jié)構(gòu)形成完整的傳力體系，同時(shí)為板單元?jiǎng)澐痔峁┯行窂健?/p>

3.結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)需綜合考慮水壓試驗(yàn)、正常操作、儲(chǔ)罐放空檢修以及地震作用4種工況，取不利值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降觀測(cè)周期內(nèi)，沉降變化均勻，累積最大沉降值僅為4mm，較好地滿足了規(guī)范及相關(guān)專業(yè)要求。