基于地震響應(yīng)分析的超大容積液化天然氣LNG 儲(chǔ)罐基礎(chǔ)方案對(duì)比研究

龔洪偉

(中海油福建漳州天然氣有限責(zé)任公司，福建 漳州 363122)

1 引言

超大容積液化天然氣（LNG）儲(chǔ)罐在單位容積投資成本、土地利用率和儲(chǔ)罐BOG 蒸發(fā)率等方面優(yōu)勢(shì)明顯。地震響應(yīng)作為儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要控制工況，在超大容積LNG 儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中影響更加明顯。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究:單彤文[1]指出未來(lái)常規(guī)LNG 儲(chǔ)罐的研究將趨于精細(xì)化和集成化，同時(shí)必須與試驗(yàn)研究、理論計(jì)算及監(jiān)測(cè)分析等手段相結(jié)合以驗(yàn)證目前數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性；羅東雨等[2]研究了中軟場(chǎng)地上大型LNG 儲(chǔ)罐的地震響應(yīng)，分析樁土相互作用對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響；沈朝勇等[3]采用ADINA 軟件建模研究近場(chǎng)多維地震作用下三維隔震儲(chǔ)罐的動(dòng)力響應(yīng)；管友海等[4]采用ADINA 軟件建立了LNG 儲(chǔ)罐三維模型，研究隔震支座參數(shù)對(duì)儲(chǔ)罐隔震效果的影響；李云鵬等[5]采用彈性振動(dòng)理論對(duì)全容式儲(chǔ)罐高、低承臺(tái)樁基的抗震性能進(jìn)行對(duì)比分析。但以上研究并未涉及超大容積LNG 儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)選型，對(duì)于設(shè)計(jì)工作的指導(dǎo)意義有限。

本文基于漳州某液化天然氣（LNG）儲(chǔ)罐工程場(chǎng)地的地質(zhì)情況和地震條件，考慮隔震墊作用，采用數(shù)值模擬軟件ANSYS 對(duì)比分析不同基礎(chǔ)形式對(duì)應(yīng)超大容積LNG 儲(chǔ)罐地震響應(yīng)的區(qū)別，得到最優(yōu)基礎(chǔ)方案，為設(shè)計(jì)工作提供有益的理論支撐。

2 工程簡(jiǎn)介

2.1 地質(zhì)情況

根據(jù)巖土工程詳勘報(bào)告可知：擬建區(qū)域上部地層主要為素填土，平均厚度13.58m，已進(jìn)行了振沖加密處理，地基土承載力特征值150kPa；下伏中風(fēng)化凝灰熔巖，平均厚度7.20m，該層工程性能較好，承載力高，地基土承載力特征值66.13MPa；下伏中風(fēng)化花崗巖，平均厚度8.1m，該層工程性能較好，承載力高，地基土承載力特征值67.05MPa。

工程場(chǎng)地地下水穩(wěn)定水位埋深3.44～4.91m，地下水類(lèi)型為孔隙潛水與基巖裂隙水混合的地下水。

2.2 地震條件

擬建場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度調(diào)整系數(shù)1.0，場(chǎng)地基本地震動(dòng)峰值加速度為0.20g，抗震設(shè)防烈度為8 度，反應(yīng)譜特征周期0.45s。

3 儲(chǔ)罐基礎(chǔ)方案選擇

結(jié)合工程場(chǎng)地地質(zhì)情況、地震條件及以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，本文主要對(duì)比2 種儲(chǔ)罐基礎(chǔ)方案：隔震墊+單筏板和隔震墊+雙筏板。

3.1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)條件

計(jì)算中，平均樁長(zhǎng)按21m 考慮，直徑1 000mm 的灌注樁單樁豎向承載力特征值取為19 000kN；直徑1 200mm 的灌注樁單樁豎向承載力特征值取為26 000kN；直徑1 500mm的灌注樁單樁豎向承載力特征值取為40 000kN。僅考慮滿罐水平地震力加豎向地震力的工況，各方案的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如下：隔震墊+單筏板方案總水平力629 644kN，總豎向力1 446 262kN，總彎矩10 544 147kN·m；隔震墊+雙筏板方案總水平力629 644kN，總豎向力1 446 262kN，總彎矩10 544 147kN·m

3.2 各方案計(jì)算結(jié)果

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)受水平力控制，豎向承載力暫不校核。規(guī)定如下：1 000mm 樁徑方案達(dá)到1 200 根；1 200mm 樁徑方案達(dá)到900 根；1 500mm 樁徑方案達(dá)到600 根情況下，如果安全系數(shù)仍不能到1，默認(rèn)為方案無(wú)法滿足要求。各方案計(jì)算結(jié)果如下：

1）隔震墊+單筏板，樁徑分別取1 000mm、1 200mm 和1 500mm，對(duì)應(yīng)樁數(shù)分別為1 200 根、900 根和600 根，對(duì)應(yīng)安全系數(shù)分別為0.25、0.27 和0.31，均不滿足要求；

2）隔震墊+ 雙筏板，樁徑取1 000mm 時(shí)，對(duì)應(yīng)樁數(shù)為1 200 根，對(duì)應(yīng)安全系數(shù)為0.95，不滿足要求，樁徑分別取1200mm 和1500mm 時(shí)，對(duì)應(yīng)樁數(shù)分別為814 根和416 根，對(duì)應(yīng)安全系數(shù)均為1.00，滿足要求。

綜上，隔震墊加單筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)困難，主要是由于隔震墊的存在使得儲(chǔ)罐承臺(tái)和樁基礎(chǔ)的連接偏弱，從而影響了基礎(chǔ)的水平抗力，但考慮隔震墊方案的使用，降低了內(nèi)外罐的加速度，對(duì)內(nèi)外罐設(shè)計(jì)有利。

4 隔震墊方案的應(yīng)用探討

初步計(jì)算表明，傳統(tǒng)的儲(chǔ)罐地基方案設(shè)計(jì)會(huì)在儲(chǔ)罐抗震設(shè)計(jì)中產(chǎn)生巨大的問(wèn)題，例如，內(nèi)罐滑動(dòng)穩(wěn)定性、鋼板厚度、鉆孔灌注樁墊層等，因此，建議在高地震烈度地區(qū)的儲(chǔ)罐罐底板下使用隔震墊。隔震墊的阻尼可降低地震加速度，將儲(chǔ)罐響應(yīng)降到較低的頻率。

在地震荷載作用下評(píng)估儲(chǔ)罐性能是十分必要的，對(duì)所要求的隔震裝置應(yīng)給予特殊考慮。土- 結(jié)構(gòu)相互作用計(jì)算過(guò)程中所要求的土壤和地震數(shù)據(jù)已在儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)基礎(chǔ)中提供，這些土壤和地震數(shù)據(jù)對(duì)不同類(lèi)型的大型儲(chǔ)罐的任何動(dòng)態(tài)計(jì)算都是有效的。結(jié)果表明，采用隔震墊和雙筏的特殊措施是有效。

4.1 雙筏板與單筏板

單筏板基礎(chǔ)形式與雙筏板基礎(chǔ)形式有著各自的特點(diǎn)。單筏板基礎(chǔ)底板不僅與儲(chǔ)罐底板接觸，還和伸出地面的高樁樁頂連接，懸空于地基之上，筏板不僅承受罐體的荷載作用，還承受樁頂?shù)姆戳ψ饔?，因此，需要較大的剛度（厚度）才能滿足罐體對(duì)底板剛度（厚度）的要求和樁基對(duì)承臺(tái)的抗沖切要求。雙筏板基礎(chǔ)一方面下底板直接與地基基礎(chǔ)接觸，能使樁和土之間形成共同作用，大大降低所需樁數(shù)，從而降低成本，增加效益；另一方面，上下筏板通過(guò)短柱聯(lián)系，可有效地調(diào)節(jié)剛度，從而達(dá)到調(diào)節(jié)基礎(chǔ)沉降的作用，有效改善沉降差。

4.2 計(jì)算模型

在三維有限元模型中模擬了土壤、樁、軸承和罐體結(jié)構(gòu)，能夠顯著提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

樁土相互作用計(jì)算結(jié)果表明，水平樁群效應(yīng)的作用得到了明顯的驗(yàn)證，外圍樁比內(nèi)樁的荷載大得多。隔震墊在中心位置的荷載幾乎為零，在外圍的載荷巨大。因此，雙筏板是必要的，它可以連接樁與儲(chǔ)罐，并避免水平樁群效應(yīng)。

在考慮了土壤、樁、儲(chǔ)罐和隔震墊特性的情況下，進(jìn)行靜態(tài)計(jì)算，在計(jì)算中設(shè)置與樁相同的特性以模擬無(wú)隔震墊的連續(xù)樁。將水平力應(yīng)用于板坯，計(jì)算了板坯的相應(yīng)位移。這種計(jì)算無(wú)隔振墊條件下的地基響應(yīng)考慮了水平群樁效應(yīng)。

隔震墊元件的詳細(xì)分析結(jié)果已經(jīng)闡明了以下情況：用懸臂梁模擬隔震墊受到大范圍彎矩的影響，影響覆蓋從近零值到非常大的值。由于彎矩來(lái)自板與樁之間的剪力，剪力不能均勻分布在所有隔震墊上。

這種隔震墊彎矩和剪力的不均勻分布突出了水平樁群效應(yīng)。內(nèi)樁不受周?chē)馏w的側(cè)向支承，在沒(méi)有剪切的情況下遵循板位移。它們的隔震墊很少水平剪切，因此，隔震墊起到的作用是連接工程樁到板坯上。這些內(nèi)部隔震墊的剛度起著很高的作用，減小水平位移。

因?yàn)橹行墓こ虡冻惺艿暮奢d遠(yuǎn)比外圈樁大得多，因此，隔震墊的實(shí)際總水平剛度是設(shè)置在非常堅(jiān)硬介質(zhì)上的單獨(dú)隔離墊總和的8 倍。但這只適用于“PGA 不超過(guò)0.1g～0.15g”的“軟”地震。對(duì)于較強(qiáng)的地震，在地面上設(shè)置一個(gè)剛性的混凝土板圍住工程樁或設(shè)置雙筏板支承橡膠支座。

5 結(jié)語(yǔ)

地震響應(yīng)是超大容積LNG 儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的主要控制工況，尤其是地震產(chǎn)生的水平荷載將直接影響基礎(chǔ)形式選擇。隔震墊結(jié)構(gòu)能夠降低地震加速度，將儲(chǔ)罐響應(yīng)降到較低的頻率，有效減小水平位移，在強(qiáng)震條件下必須安裝。通過(guò)數(shù)值模擬模型計(jì)算結(jié)果，在滿足安全系數(shù)要求的方案中，雙筏板加隔震墊方案能夠減少15%的樁基數(shù)量和18%的鋼筋混凝土用量。雙筏板基礎(chǔ)能夠使隔震墊更有效地工作，減少儲(chǔ)罐頻率和加速度。