基于GB50068-2018標準的全容式LNG儲罐基樁設(shè)計

賈桂敬 甄 軍

中海油石化工程有限公司 濟南 250101

對于全容式大型LNG儲罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其作用標準值及分項系數(shù)的取值、作用效應(yīng)組合的合理性以及目標設(shè)計采用的結(jié)構(gòu)分析方法的不同將直接決定儲罐結(jié)構(gòu)的可靠度與經(jīng)濟性。《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標準》[1]GB50068-2018規(guī)定了不同設(shè)計狀況應(yīng)進行的極限狀態(tài)設(shè)計及作用組合，是我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計標準體系的頂層標準，是大型LNG全容式儲罐(下稱儲罐)結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)性標準。該標準已于2019年4月1日正式頒布實施，但儲罐設(shè)計標準GB51156等相關(guān)標準卻沒有同步修編，為工況復(fù)雜的LNG儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了困難，特別是儲罐各工況作用的分項系數(shù)的取值缺少標準依據(jù)。因此，滿足GB50068目標可靠指標的LNG儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的研究就顯得尤為迫切和重要。

基于GB50068標準的設(shè)計思想，大型全容式LNG儲罐樁基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)進行持久、短暫、偶然、地震四種設(shè)計狀況的極限狀態(tài)設(shè)計，應(yīng)對樁承臺、基樁的不同極限狀態(tài)分別進行計算或驗算。實現(xiàn)上述設(shè)計目標的關(guān)鍵是基于GB50068標準準則進行工況分析，設(shè)計狀況的劃分，作用標準值的確定，作用分項系數(shù)的取值(特別是具有限值特征的作用分項系數(shù)取值)，作用效應(yīng)組合。

大型全容式LNG儲罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計遇到的工況較多，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。針對這些復(fù)雜問題，本文以儲罐樁基礎(chǔ)可靠性設(shè)計為核心，提供清晰的結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計思路和方法。

1 儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計標準應(yīng)用現(xiàn)狀分析

對結(jié)構(gòu)設(shè)計狀況的定義劃分，GB50068與歐標《結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)》EN1990:2002[2]給出了相同的劃分原則，但儲罐設(shè)計標準EN14620[3]、GB/T26978卻未給出原則性要求。這就導(dǎo)致了儲罐結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)(ULS)設(shè)計、正常使用極限狀態(tài)(SLS)設(shè)計的作用效應(yīng)組合缺失原則性依據(jù)。

對于極限狀態(tài)設(shè)計應(yīng)區(qū)分不同的設(shè)計狀況，GB50068、EN1990均有明確規(guī)定，給出了兩類極限狀態(tài)設(shè)計作用組合的原則和公式，為下游標準規(guī)定了準則和大綱。但工程設(shè)計界和標準編制者卻對該標準沒有引起足夠的重視。經(jīng)梳理發(fā)現(xiàn)，與儲罐設(shè)計相關(guān)的技術(shù)標準大多未清晰執(zhí)行GB50068關(guān)于“設(shè)計狀況”的相關(guān)要求，因此造成了目前儲罐設(shè)計在技術(shù)標準上的不協(xié)調(diào)。

儲罐設(shè)計的難點在于其結(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)分析之后的儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，我國的工程標準體系是比較完整的，幾乎涵蓋了儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計每一細節(jié)的技術(shù)需求。過度依賴國外標準進行儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計，既不符合國家建筑工程法規(guī)要求，又限制了儲罐設(shè)計的標準化、國產(chǎn)化，也為工程檢驗和驗收增加了很大的不便。

2 儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計誤區(qū)分析

2.1 儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計在執(zhí)行標準方面存在的誤區(qū)

(1)忽視標準應(yīng)用的系統(tǒng)性，越過GB50068標準的基本設(shè)計準則，片面引用國外標準。主要表現(xiàn)為作用屬性的取值在不同標準體系中隨意選取，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)計標準。這樣，設(shè)計項分別選用不同體系的標準,有可能發(fā)生偏離GB50068目標可靠指標的設(shè)計風險。

2.2 儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的誤區(qū)

目前未見緊扣GB50068標準進行儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)文獻。一些文獻和儲罐工程設(shè)計，對于實現(xiàn)SSE水準的抗震設(shè)防目標僅僅采用了基于反應(yīng)譜的彈性模型設(shè)計方法；個別儲罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計甚至越過OBE直接采用SSE設(shè)防水準進行儲罐結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震設(shè)計，簡單粗糙的設(shè)計方法造成了工程的極大浪費并存在安全隱患。

2.3 LNG儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計超限審查

高承臺樁儲罐屬于豎向不規(guī)則的大型構(gòu)筑物，結(jié)構(gòu)可靠度水準要求較高，同時由于儲罐的穹頂鋼筋混凝土薄殼跨度大于60m，根據(jù)國家建筑行業(yè)管理法規(guī)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》(建質(zhì)[2015年]67號)規(guī)定，LNG儲罐應(yīng)進行抗震設(shè)防專項審查，目前未見被審查的項目案例。

3 儲罐結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防目標分析

GB51156第7.3.6條規(guī)定了OBE和SSE儲罐的結(jié)構(gòu)分析方法，并以此作為儲罐結(jié)構(gòu)實現(xiàn)抗震設(shè)防目標的基本原則。然而在儲罐基樁設(shè)計上，目前個別文獻在實現(xiàn)SSE水準的設(shè)防目標的研究方法上存在誤區(qū)：選用SSE水準下的地震動參數(shù)，卻用地震反應(yīng)譜法計算地震作用，再以ANSYS軟件的彈性模型進行地震分析，并以此作用效應(yīng)進行樁體設(shè)計。某些工程的LNG儲罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計也采用了同樣的做法。筆者認為，以SSE水準去實現(xiàn)OBE的抗震設(shè)防目標的研究設(shè)計方法存在儲罐抗震設(shè)防水準與對應(yīng)的設(shè)防目標錯配的錯誤，也是極端浪費的設(shè)計方法。儲罐抗震設(shè)防水準錯配抗震設(shè)防目標，采用罕遇地震水準的地震作用效應(yīng)進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(承載力設(shè)計、抗裂設(shè)計、裂縫寬度控制、構(gòu)件變形控制等)，違背了中外抗震設(shè)計標準的基本原則。

將儲罐OBE和SSE兩種地震的設(shè)防水準和設(shè)防目標與《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010[6](下稱抗規(guī)10)、Eurocode 8的設(shè)防水準和設(shè)防目標進行對照分析，筆者認為：OBE的抗震設(shè)防目標標準較高，目標的實現(xiàn)應(yīng)按中震彈性要求進行設(shè)計；SSE的抗震設(shè)防目標標準相對較低，目標的實現(xiàn)應(yīng)按抗規(guī)10的罕遇地震要求進行設(shè)計。

4 儲罐結(jié)構(gòu)上的作用及其屬性分析

4.1 確定作用代表值屬性的步驟

作用代表值是指作用的標準值、組合值、頻遇值、準永久組合值；作用代表值屬性是指作用標準值系數(shù)、組合值系數(shù)、頻遇值系數(shù)、準永久組合值系數(shù)，又稱荷載系數(shù)。

儲罐結(jié)構(gòu)分析前應(yīng)進行施工安裝、檢修、壓力試驗、運行操作、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)計規(guī)范》GB51156-2015[5]的要求確定儲罐各工況的作用。

(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。

4.2 確定作用屬性的原則

(1)具有概率統(tǒng)計特征作用的標準值，其作用屬性取相關(guān)標準的規(guī)定值。

(2)作用分項系數(shù)根據(jù)作用的概率分布和統(tǒng)計參數(shù)及規(guī)定的可靠指標通過計算分析并結(jié)合工程經(jīng)驗經(jīng)優(yōu)化確定，作用(包括永久作用、可變作用等)分項系數(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。

4.3 具有限值特性作用的分項系數(shù)取值

不可能被超越或可控制其極限值的作用屬于有界作用，儲罐結(jié)構(gòu)的許多作用工況具有該特點，例如儲罐儲液的最高液位重量，水壓試驗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準值，其超越概率已趨近于零。因此，根據(jù)實際的操作工況，以可變作用的上限值為標準值時，其作用分項系數(shù)可取值1.0；組合值系數(shù)、頻遇值系數(shù)、準永久值系數(shù)均可取值1.0。

將基于GB50068標準儲罐結(jié)構(gòu)各工況的作用及其屬性的分析結(jié)果進行整理，見表1。

表1 儲罐結(jié)構(gòu)作用及屬性

5 以基樁設(shè)計為目標的儲罐整體結(jié)構(gòu)分析

5.1 儲罐結(jié)構(gòu)分析的基本原則

(1)以GB50068的概率極限狀態(tài)設(shè)計要求為準則，以作用分項系數(shù)的取值滿足目標可靠指標要求為目標，儲罐結(jié)構(gòu)分析執(zhí)行GB51156的原則和規(guī)定。

(2)不同的設(shè)計目標采用不同的結(jié)構(gòu)分析簡化模型，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)不同水準的抗震設(shè)防目標采用不同的結(jié)構(gòu)分析方法。

5.2 儲罐結(jié)構(gòu)工況分析

儲罐的工況分為安裝工況、壓力試驗工況、操作工況，工況分析是儲罐結(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)計狀況中，作用屬性見表1。

5.3 OBE結(jié)構(gòu)分析

基樁地震作用分析采用內(nèi)罐儲液附加質(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)計精度要求。

根據(jù)50年超越概率10%地震水準的地震動參數(shù)，采用地震反應(yīng)譜法進行中震彈性設(shè)計；采用動力彈性時程分析進行補充分析。取兩者的最大作用效應(yīng)進行地震組合，進行構(gòu)件承載力設(shè)計和儲罐整體位移控制，滿足規(guī)范相關(guān)限值要求。

5.4 SSE結(jié)構(gòu)分析

SSE作用效應(yīng)的計算應(yīng)超越反應(yīng)譜的約束，以O(shè)BE抗震設(shè)計的配筋結(jié)果，根據(jù)50年超越概率2%的地震水準的地震動參數(shù)，采用基于性能的抗震設(shè)計方法，進行動力彈塑性時程分析[8]，同時考慮材料非線性和幾何非線性?；诖朔N分析方法才能發(fā)現(xiàn)儲罐遭受破壞的危險部位，預(yù)判儲罐構(gòu)件塑性變形以及損傷情況，判斷結(jié)構(gòu)的屈服機制、薄弱環(huán)節(jié)等。

5.5 其他工況的結(jié)構(gòu)分析

短暫設(shè)計狀況的作用工況及熱效工況應(yīng)均采用靜力彈性模型進行結(jié)構(gòu)分析，獲得基樁設(shè)計單工況作用效應(yīng)。

5.6 樁周地基土力學(xué)分析

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。

6 儲罐樁基礎(chǔ)基樁設(shè)計作用及其組合

6.1 儲罐基樁設(shè)計結(jié)構(gòu)上的作用

儲罐樁基礎(chǔ)的基樁設(shè)計應(yīng)考慮包括持久、短暫、偶然、OBE、SSE五種設(shè)計狀況的作用工況，詳見表2。根據(jù)工程經(jīng)驗，短暫設(shè)計狀況的罐頂安裝、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、外罐氣壓負壓試驗對基礎(chǔ)的影響均可以忽略，因此基樁設(shè)計時不考慮其效應(yīng)組合。

6.2 效應(yīng)組合原則

基于GB50068標準的儲罐樁基礎(chǔ)基樁設(shè)計作用及其組合見表2，并遵守以下原則：

(1)儲罐基樁設(shè)計按照GB50068給出的組合公式及表2給出的組合原則進行作用效用組合；不同的設(shè)計狀況分別進行組合并注意各類作用的時空關(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，其作用效應(yīng)計算采用線性分析模型，對單一作用逐一分析，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)組合和驗算；OBE的SLS抗震變形計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)標準值調(diào)整系數(shù)，詳見抗規(guī)10給出的規(guī)則。

(3)SSE水準的抗震設(shè)計，其作用分析為非線性分析，先進行作用組合再進行結(jié)構(gòu)分析，按式(2)進行組合和驗算。

SGE+SEk

(2)

式中，Ru為基樁承載力極限值；其余符號說明詳見抗規(guī)10。

6.3 效應(yīng)組合注意事項

(1)“OBE+泄漏”組合不符合OBE的抗震設(shè)防目標要求，因此儲罐設(shè)計不應(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)計狀況，因此空罐工況不與地震工況組合，這與EN14620的觀點有所不同。

7 儲罐樁基礎(chǔ)基樁設(shè)計

7.1 樁基礎(chǔ)基樁設(shè)計項目[7]

7.1.1 ULS設(shè)計

基樁ULS設(shè)計根據(jù)表2給出的不同設(shè)計狀況分別進行效應(yīng)組合。根據(jù)工程經(jīng)驗，短暫設(shè)計狀況除水壓試驗外其余可變作用在樁基礎(chǔ)設(shè)計中不起控制作用，因此，基樁設(shè)計不考慮短暫設(shè)計狀況的其它作用效應(yīng)；其余設(shè)計狀況均應(yīng)進行基樁ULS設(shè)計，設(shè)計項如下：①單樁豎向及水平向承載力特征值計算；②群樁基礎(chǔ)基樁豎向及水平承載力特征值計算；③群樁基礎(chǔ)基樁豎向及水平承載力驗算；④基樁樁身配筋設(shè)計或驗算。

表2 基樁設(shè)計應(yīng)考慮的作用及組合原則

7.1.2 SLS設(shè)計

基樁SLS設(shè)計只考慮持久設(shè)計狀況，根據(jù)表2持久設(shè)計狀況的作用進行SLS設(shè)計；其余設(shè)計狀況均無須SLS設(shè)計。設(shè)計項如下：①基樁水平位移驗算；②樁身裂縫計算；③群樁基礎(chǔ)沉降計算。

7.2 樁基SSE抗震設(shè)計解讀

GB51156規(guī)定的SSE抗震設(shè)計并非構(gòu)件層面的配筋、撓度和裂縫設(shè)計，而是指整體結(jié)構(gòu)變形、薄弱層及構(gòu)件損傷的檢驗設(shè)計，主要用來驗證OBE抗震設(shè)計結(jié)果是否滿足SSE設(shè)防目標，這是SSE設(shè)計的真正寓意所在，一些文獻和項目在此存在錯誤的理解。

7.3 尚需研究的問題

(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)針對儲罐OBE、SSE工況的地震整體位移控制要求。

(3)儲罐抗震性能化設(shè)計。

(4)儲罐結(jié)構(gòu)動力彈塑性時程分析。

8 結(jié)語

本文對LNG儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)的標準、設(shè)計現(xiàn)狀及抗震設(shè)計目標進行了分析，提出了以GB50068為準則的儲罐樁基礎(chǔ)基樁設(shè)計方法：

(1)確定樁基礎(chǔ)設(shè)計的設(shè)計狀況。

(2)分析確定樁基礎(chǔ)進行ULS、SLS設(shè)計的設(shè)計狀況。

(3)確定基樁設(shè)計的作用工況并基于結(jié)構(gòu)的目標可靠指標進行屬性分析。

(4)根據(jù)本文給出的原則和方法確定基樁ULS、SLS設(shè)計項作用效應(yīng)組合。

(5)以O(shè)BE水準進行儲罐結(jié)構(gòu)中震彈性分析，以此進行地震組合及基樁ULS設(shè)計。

(6)采用動力彈塑性時程分析法進行儲罐結(jié)構(gòu)SSE分析及儲罐結(jié)構(gòu)綜合評估。

(7)以各設(shè)計狀況作用效應(yīng)的基本組合進行基樁配筋設(shè)計。

(8)以持久設(shè)計狀況作用效應(yīng)的標準組合、準永久組合分別計算基樁水平位移、裂縫和沉降。

以GB50068為準則的LNG儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計，將獲得較好的質(zhì)量和經(jīng)濟效果，期望本文對LNG儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計有一定的參考價值。