新型LNG儲(chǔ)罐隔震墊螺柱預(yù)留孔設(shè)計(jì)及施工方法

趙銘睿， 肖立， 劉洋

（中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心，北京 100028）

0 引言

目前主流大型LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)直徑超過(guò)90m，高度超過(guò)40m，總重量超過(guò)15萬(wàn)t，抗震工況是主要控制性設(shè)計(jì)工況?？拐鹪O(shè)計(jì)是保證儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全的關(guān)鍵，提高儲(chǔ)罐抗震結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量能夠直接改善其抗震性能，具有重要意義。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究：?jiǎn)瓮模?］總結(jié)分析了常規(guī)LNG儲(chǔ)罐在全模型建模、地震響應(yīng)分析、隔震研究、局部構(gòu)件計(jì)算、偶然作用分析等方面的研究進(jìn)展及目前存在的不足，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；畢曉星等［2］建議在LNG工程設(shè)計(jì)中采用附加質(zhì)量法作為獲取儲(chǔ)罐地震響應(yīng)的主要方法；劉文光等［3］詳細(xì)地研究了中國(guó)鉛芯夾層橡膠隔震墊的基本力學(xué)性能；冼巧玲等［4］通過(guò)橡膠墊力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果的分析，說(shuō)明橡膠墊對(duì)框架結(jié)構(gòu)的減震效果是十分顯著；黃歡等［5］基于22萬(wàn)m3超大容積LNG儲(chǔ)罐進(jìn)行對(duì)比分析，認(rèn)為隔震墊結(jié)構(gòu)能夠顯著提升結(jié)構(gòu)抗震性能；管友海等［6］利用ADINA建立大型LNG儲(chǔ)罐的有限元模型分析隔震墊作用下地震響應(yīng)，表明隔震墊不但能夠有效地控制儲(chǔ)罐內(nèi)外罐的地震響應(yīng)，而且可以產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益；屈長(zhǎng)龍等［7］結(jié)合LNG儲(chǔ)罐隔震工程設(shè)計(jì)的需求分析了現(xiàn)有大型建構(gòu)筑的減震隔震措施，基于物理隔震方法和理論總結(jié)了不同措施下的設(shè)計(jì)計(jì)算方法；李淑文［8］采用非線性有限元分析軟件SAP2000建立包含隔震單元的建筑群的結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析有限元模型，進(jìn)行了模態(tài)分析、單向地震反應(yīng)分析、雙向及任意角度輸入地震反應(yīng)分析，最后對(duì)橡膠隔震墊的設(shè)置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。以上研究從理論上充分論證了隔震墊結(jié)構(gòu)在超大容積LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)減隔震設(shè)計(jì)建造中的可行性和重要作用。

文中進(jìn)一步優(yōu)化其現(xiàn)場(chǎng)施工工藝，采用預(yù)埋波紋管得到LNG儲(chǔ)罐隔震墊螺柱預(yù)留孔，相比傳統(tǒng)施工工藝顯著降低施工難度，縮短工期并提升工程質(zhì)量，在工程應(yīng)用過(guò)程中取得了良好的應(yīng)用效果。

1 LNG儲(chǔ)罐隔震墊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

超大容積LNG儲(chǔ)罐通常采用鉛芯橡膠隔震墊，一般由橡膠片和薄鋼板交互疊置，經(jīng)高溫加熱并硫化制作而成，支座內(nèi)部橡膠除了天然橡膠外，還添加了補(bǔ)強(qiáng)劑、填充劑和防老化劑等，為了提高橡膠支座的阻尼比，增加地震耗能能力，有效控制地震作用下結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)，有時(shí)候在橡膠隔震墊的中心或非中心增加鉛芯，形成鉛芯橡膠隔震墊。其生產(chǎn)工藝通常是在制造完成的天然橡膠墊后，將計(jì)算好體積的鉛芯壓入天然橡膠隔震墊的預(yù)留孔內(nèi)制作而成，為使隔震墊上下結(jié)構(gòu)可靠連接，隔震墊設(shè)有預(yù)埋件和上下連接板，如圖1所示。

圖1 鉛芯橡膠隔震墊結(jié)構(gòu)

橡膠隔震墊具有良好的工作性能。由于橡膠層和疊層鋼板的緊密粘結(jié)，當(dāng)橡膠墊承受垂直荷載時(shí)，由于橡膠層的橫向變形受到約束，使得橡膠墊具有很大的豎向剛度和豎向承載能力。同時(shí)，由于橡膠和鉛芯的材料特性使得隔震墊具有明顯的彈塑性特性，在風(fēng)荷載及較小的地震作用下具有足夠的水平抗力，保證結(jié)構(gòu)的安全性；在中強(qiáng)地震作用下具有較小的水平剛度，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自振周期避免產(chǎn)生共振，從而降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，并且在震中和震后具有瞬時(shí)自動(dòng)復(fù)位能力，使得上部結(jié)構(gòu)能夠恢復(fù)初始狀態(tài)以滿足正常使用要求。

2 新型LNG儲(chǔ)罐隔震墊螺柱預(yù)留孔設(shè)計(jì)

超大容積LNG儲(chǔ)罐通常采用鉛芯橡膠隔震墊，對(duì)超大容積LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)建設(shè)尤其是樁基施工提出了新的挑戰(zhàn)：由于隔震支座放置于工程樁樁頂，屬于一體化灌注成樁，混凝土連續(xù)澆筑中間沒(méi)有時(shí)間間隔，所以隔震支座預(yù)埋件在混凝土澆筑至樁頂前沒(méi)有足夠時(shí)間安裝完成與復(fù)核驗(yàn)收；其次工程樁灌注完成一段時(shí)間后還要進(jìn)行樁頂注漿與聲測(cè)工作，導(dǎo)致支座預(yù)埋件難于提前安裝。

2.1 傳統(tǒng)LNG儲(chǔ)罐隔震墊螺柱預(yù)留孔施工工藝

首先進(jìn)行隔震支座預(yù)埋件鋼模具制作，根據(jù)隔震橡膠支座圖紙預(yù)制鋼模具，如圖2所示。在地面樁頭混凝土澆筑時(shí)進(jìn)行預(yù)埋完成，待混凝土初凝時(shí)取下鋼模具，以此保證后期支座預(yù)埋件安裝留有足夠位置。

圖2 預(yù)制鋼模具實(shí)物

在地面樁柱側(cè)模安裝完成后，安裝支座預(yù)埋件鋼模具。鋼模具安裝是第一個(gè)難點(diǎn)和重點(diǎn)，支座預(yù)埋件尺寸較大，需由機(jī)械設(shè)備吊放至安裝位置。首先安裝鋼模具雙層定位鋼板，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙坐標(biāo)調(diào)整定位鋼板平面中心位置及水平度，然后下穿預(yù)埋鋼管，并將預(yù)埋鋼管固定牢固。安裝完成后澆筑混凝土，在澆筑過(guò)程中要注意確保鋼模具位置不受擾動(dòng)。

完成混凝土澆筑后拆除隔震支座預(yù)埋件鋼模具。在樁柱混凝土初凝時(shí)多次旋轉(zhuǎn)鋼模具的預(yù)埋鋼管，待預(yù)埋鋼管旋轉(zhuǎn)松動(dòng)以后人工垂直緩慢拔出，禁止用機(jī)械設(shè)備拔出鋼模具預(yù)埋鋼管，以防止混凝土面開(kāi)裂或破口。

2.2 新型LNG儲(chǔ)罐隔震墊螺柱預(yù)留孔施工工藝

相比傳統(tǒng)施工方案，新工藝將預(yù)埋方式改為金屬波紋管直接預(yù)埋，不再取出。把鋼模具的預(yù)埋鋼管換成同尺寸的UPVC管，再把UPVC管套入金屬波紋管里面，在混凝土終凝時(shí)取下鋼模具。

在前期方案的基礎(chǔ)上下穿一體化的UPVC管和金屬波紋管，最后擰緊定位鋼板上的側(cè)面螺栓，將一體化埋管固定牢固，新型隔震支座預(yù)埋件鋼模安裝圖如圖3所示。

圖3 新型隔震支座預(yù)埋件鋼模安裝

在傳統(tǒng)方案的基礎(chǔ)上，當(dāng)?shù)孛鏄吨炷两K凝時(shí)，人工將UPVC管垂直緩慢拔出，金屬波紋管留在結(jié)構(gòu)中，如圖4所示。最終形成的隔震墊螺柱預(yù)留孔如圖5所示。

圖4 新型隔震支座預(yù)埋件鋼模拆除

圖5 新型隔震墊螺柱預(yù)留孔整體示意圖

2.3 兩種隔震墊螺柱預(yù)留孔施工工藝對(duì)比

（1） 施工難度。傳統(tǒng)工藝施工難度首先體現(xiàn)在隔震支座預(yù)埋件鋼模具拆除過(guò)程中。鋼模需在混凝土初凝時(shí)拆除，由于混凝土初凝時(shí)間受環(huán)境影響存在差異，具體拆除時(shí)機(jī)主要依靠經(jīng)驗(yàn)，判斷失誤可能導(dǎo)致拆除難度不成比例地增加；另一方面，拆除過(guò)程需要人工多次旋轉(zhuǎn)鋼模具的預(yù)埋鋼管，待預(yù)埋鋼管旋轉(zhuǎn)松動(dòng)以后垂直緩慢拔出操作，工藝要求高，拆除難度較大。除此之外，鋼管拆除后，預(yù)留螺栓孔內(nèi)壁光滑，不符合注漿要求，需進(jìn)行鑿毛處理。預(yù)留螺栓孔直徑小深度大，機(jī)械無(wú)法展開(kāi)，鑿毛工作難度巨大。

新工藝通過(guò)預(yù)埋波紋管，整個(gè)拆除過(guò)程不擾動(dòng)樁頂混凝土，無(wú)需在混凝土初凝時(shí)操作，可在終凝時(shí)操作，顯著降低施工難度；拆除過(guò)程只需將UPVC管垂直緩慢拔出，大大降低施工難度。波紋管內(nèi)壁足夠粗糙，無(wú)需鑿毛處理，進(jìn)一步降低施工難度。

（2） 施工周期。傳統(tǒng)工藝拆除過(guò)程需要人工多次旋轉(zhuǎn)鋼模具的預(yù)埋鋼管，待預(yù)埋鋼管旋轉(zhuǎn)松動(dòng)以后垂直緩慢拔出，整個(gè)過(guò)程十分耗時(shí)。新工藝只需將UPVC管垂直緩慢拔出，整個(gè)過(guò)程用時(shí)大大減少。相比之下，新工藝在模具拆除階段能夠節(jié)約大量人工時(shí)。

（3） 樁頂混凝土質(zhì)量影響。傳統(tǒng)工藝在混凝土初凝時(shí)拆模，拆模過(guò)程會(huì)不可避免地?cái)_動(dòng)樁頂部混凝土，對(duì)混凝土質(zhì)量產(chǎn)生影響，后期的鑿毛處理也可能對(duì)混凝土產(chǎn)生擾動(dòng)。而新工藝只需撥出UPVC管，且無(wú)需鑿毛預(yù)留螺栓孔內(nèi)壁，整個(gè)過(guò)程不擾動(dòng)樁頂混凝土，對(duì)其質(zhì)量無(wú)影響。

3 新型LNG儲(chǔ)罐隔震墊螺柱預(yù)留孔工程應(yīng)用

新型LNG儲(chǔ)罐隔震墊螺柱預(yù)留孔施工工藝已經(jīng)被應(yīng)用于多個(gè)LNG接收站項(xiàng)目，樁基直徑最大達(dá)到1.5m，均取得了良好的效果。

其中某項(xiàng)目共建設(shè)4座有效使用容積20萬(wàn)m3的預(yù)應(yīng)力混凝土全包容LNG儲(chǔ)罐，擬建場(chǎng)地屬抗震設(shè)防烈度7度區(qū)，樁基直徑1.4m，頂部安裝橡膠隔震墊，隔震墊制作節(jié)點(diǎn)如圖6所示。

圖6 新型隔震支座預(yù)埋件鋼模安裝

采用新型LNG儲(chǔ)罐隔震墊螺柱預(yù)留孔施工工藝，順利完成了共計(jì)1480套隔震構(gòu)件的安裝工作，圖7為預(yù)埋波紋管和隔震墊支座預(yù)埋件，圖8為結(jié)構(gòu)完工后的儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)。

圖7 隔震墊預(yù)埋件

圖8 LNG儲(chǔ)罐全貌

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況統(tǒng)計(jì)，每根樁可節(jié)約隔震墊預(yù)埋人工時(shí)超過(guò)90%。儲(chǔ)罐單罐共計(jì)370根樁，節(jié)約工期近1個(gè)月，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益超過(guò)200萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

文中通過(guò)對(duì)LNG儲(chǔ)罐隔震墊螺柱預(yù)留孔設(shè)計(jì)及施工方法研究，得出如下結(jié)論：

（1） 新型LNG儲(chǔ)罐隔震墊螺柱預(yù)留孔施工工藝通過(guò)預(yù)埋波紋管得到預(yù)留孔：波紋管無(wú)需撥出，降低施工難度，縮短工期，同時(shí)避免擾動(dòng)基礎(chǔ)頂部混凝土，防止其強(qiáng)度降低。

（2） 通過(guò)波紋管得到的預(yù)留孔內(nèi)壁為波紋管內(nèi)壁，足夠粗糙無(wú)需鑿毛，進(jìn)一步降低施工難度并縮短工期。

（3） 新型隔震墊螺柱預(yù)留孔施工工藝能夠完善超大容積LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和建造技術(shù)。新工藝已應(yīng)用于多個(gè)LNG項(xiàng)目接收站工程，取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。