超大型LNG儲(chǔ)罐隔震支座安裝及更換技術(shù)研究

佟姝茜

（海洋石油工程股份有限公司，天津，300457）

引言

自20世紀(jì)末，國(guó)內(nèi)LNG儲(chǔ)罐工程建設(shè)進(jìn)入了高發(fā)期，隨著LNG儲(chǔ)罐容積的逐漸增大，其安全問題也成為了重中之重。對(duì)于大型LNG儲(chǔ)罐，地震會(huì)導(dǎo)致其喪失使用功能，而且爆炸、火災(zāi)及環(huán)境污染更會(huì)引發(fā)災(zāi)難性后果，這些破壞所導(dǎo)致的損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了儲(chǔ)罐本身及儲(chǔ)液的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1]。隨著LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)、建造技術(shù)不斷發(fā)展，近年來新建和擴(kuò)建的LNG儲(chǔ)罐呈現(xiàn)出單體罐容大型化的趨勢(shì)，20萬方儲(chǔ)罐面臨新的問題，儲(chǔ)罐的規(guī)模效應(yīng)明顯[2]，地震對(duì)其安全性的影響也越來越嚴(yán)重。

本文中的唐山某20萬方LNG儲(chǔ)罐工程項(xiàng)目，處于地震帶上，其地震作用高于其它地區(qū)，這就要求在儲(chǔ)罐建設(shè)中需要采取有效的隔震措施來降低災(zāi)害的影響?，F(xiàn)有理論研究表明，在LNG全容式儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)建造中應(yīng)用基礎(chǔ)隔震的方法，能夠很好地降低儲(chǔ)罐的地震響應(yīng)，提高儲(chǔ)罐的安全性。

隔震支座壽命一般為60年，LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)使用年限為50年，但是通過調(diào)研現(xiàn)有的應(yīng)用現(xiàn)狀，由于LNG儲(chǔ)罐一般地處沿海區(qū)域，高鹽高霧的環(huán)境條件，會(huì)加速隔震支座的腐蝕，因而需要定期的檢查和更換隔震支座。在我國(guó)LNG儲(chǔ)罐項(xiàng)目中應(yīng)用隔震支座的實(shí)例還比較少，尤其在其更換方面，幾乎空白，主要技術(shù)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)均需要依據(jù)隔震支座供應(yīng)商的指導(dǎo)意見來完成。本文在分析隔震技術(shù)的同時(shí)，提出了一種隔震支座更換方法，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供一定的技術(shù)參考。

1 隔震技術(shù)

國(guó)內(nèi)在對(duì)LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)中針對(duì)地震等自然災(zāi)害影響的主要方法是從基礎(chǔ)隔震措施、結(jié)構(gòu)消能減震、主動(dòng)控制技術(shù)方向來進(jìn)行研究并采取相應(yīng)的措施[3]。基礎(chǔ)隔震就是基礎(chǔ)頂面和LNG儲(chǔ)罐之間設(shè)置具有足夠可靠性的隔震曾，隔離基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)，控制地震作用力向LNG儲(chǔ)罐的傳遞。隔震系統(tǒng)的水平剛度低于上部混凝土儲(chǔ)罐的水平剛度，從而增加LNG儲(chǔ)罐的自振周期，避開地震的卓越周期，避免類共振現(xiàn)象的發(fā)生，使地震能量和結(jié)構(gòu)變形主要消耗在隔震系統(tǒng)中。

在LNG儲(chǔ)罐工程項(xiàng)目中，通過基礎(chǔ)隔震的方式降低地震危害的相對(duì)較多，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）采用基礎(chǔ)隔震方式的LNG儲(chǔ)罐，其地震反應(yīng)僅為常規(guī)抗震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的0.1-0.2；

（2）采用基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)，LNG儲(chǔ)罐所承受的地震作用大大減小，構(gòu)件截面尺寸減小、構(gòu)件配筋數(shù)量減少，從而降低了LNG儲(chǔ)罐的成本；

（3）由于地震能量和結(jié)構(gòu)變形主要消耗在隔震系統(tǒng)中，后期維護(hù)檢測(cè)的重點(diǎn)是隔震支座，比LNG儲(chǔ)罐整體震后檢測(cè)方便快捷，利于縮短檢修周期、降低運(yùn)營(yíng)成本；

在LNG儲(chǔ)罐工程領(lǐng)域，利用隔震支座來降低地震對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞，要求隔震支座能夠長(zhǎng)期的承受上部結(jié)構(gòu)的重量，即使發(fā)生地震，也能夠支撐住上部的結(jié)構(gòu)重量，并且豎向的變形要盡可能的小，來保證LNG儲(chǔ)罐整體結(jié)構(gòu)的安全。

為了達(dá)到明顯的隔震效果，隔震裝置須具備以下特性[4]：

（1）豎向承載特性：在使用狀況下，能安全地支承上部LNG儲(chǔ)罐的所有重量和使用荷載，同時(shí)也應(yīng)具備足夠的豎向承載力安全儲(chǔ)備，確保LNG儲(chǔ)罐的安全，且滿足使用要求；

（2）水平剛度特性：在強(qiáng)風(fēng)和微小地震作用下，體系具有足夠的彈性剛度，LNG儲(chǔ)罐位移很小，從而不影響使用要求；當(dāng)中強(qiáng)地震發(fā)生時(shí)，其水平剛度較小，LNG儲(chǔ)罐水平滑動(dòng)，使“剛性”變?yōu)椤叭嵝浴钡母粽鸾Y(jié)構(gòu)體系，其自振周期大大增加，遠(yuǎn)離LNG儲(chǔ)罐的自振周期，從而把地面震動(dòng)有效地隔開，明顯降低上部LNG儲(chǔ)罐的地震反應(yīng)；

（3）彈性恢復(fù)特性：使上部結(jié)構(gòu)在地震時(shí)能自動(dòng)復(fù)位，地震過去后，上部結(jié)構(gòu)能回到初始狀態(tài)，從而滿足正常使用要求。

目前，主要的隔震支座類型包括：天然橡膠支座、鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座、摩擦擺支座、彈性滑板支座等。本文工程項(xiàng)目采用具有疊層的天然橡膠支座來減小地震影響，橡膠材料是組成夾層橡膠隔震支座的基本材料。隔震橡膠支座一方面可以控制較小變形，另一方面利用通過橡膠支座具有彈性復(fù)位能力，震后能夠自動(dòng)恢復(fù)原樣。

2 隔震裝置連接件設(shè)計(jì)

針對(duì)隔震設(shè)計(jì)中，除了結(jié)構(gòu)整體隔震分析外，更主要的是隔震支座連接件的設(shè)計(jì)和校核。在設(shè)計(jì)中，隔震支座與上部結(jié)構(gòu)及下部結(jié)構(gòu)的連接應(yīng)可靠，要求隔震支座連接件在支座達(dá)到極限破壞狀態(tài)時(shí)不產(chǎn)生破壞，在地震水平作用下，隔震支座發(fā)生較大的水平方向變形，如圖1（左）所示：

圖1 隔震支座及連接部位變形示意圖（左），天然橡膠隔震支座滯回模型示意圖（右）

根據(jù)《建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求，當(dāng)隔震支座發(fā)生水平變形后，隔震支座及連接部位產(chǎn)生的附加彎矩如公式1所示：

通過對(duì)隔震支座附加彎矩和水平剛度的計(jì)算研究，可用于在隔震支座更換時(shí)，確定發(fā)生水平變形后隔震支座上下法蘭板開孔位置，利于新隔震支座更換時(shí)螺栓開孔的精確定位。

3 隔震支座安裝技術(shù)難點(diǎn)及措施

目前，隔震技術(shù)在工程中應(yīng)用較少，根據(jù)工程實(shí)例，大部分采用的都是橡膠隔震支座，本項(xiàng)目樁徑為1.4m，每個(gè)儲(chǔ)罐配套使用370套LRB900隔震橡膠支座，每個(gè)支座設(shè)計(jì)豎向承壓7634kN。

隔震支座的現(xiàn)場(chǎng)安裝及流程如圖3所示：

圖3 隔震支座安裝現(xiàn)場(chǎng)及安裝流程圖

隔震橡膠支座在安裝過程中，需要注意以下要點(diǎn)：

（1）在灌漿澆筑及隔震支座安裝過程中，要實(shí)時(shí)做好溫度監(jiān)測(cè)和記錄，滿足專人專崗，且操作人員需要滿足事前培訓(xùn)和服從統(tǒng)一調(diào)度；

（2）施工過程中，設(shè)計(jì)圖紙及操作流程要把好關(guān)，保證現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量和安裝程序；

（3）確定隔震支座安裝的底部標(biāo)高準(zhǔn)確值，下支墩頂部的標(biāo)高和軸線的控制是安裝質(zhì)量的關(guān)鍵；

（4）澆筑混凝土初凝時(shí)，及時(shí)對(duì)隔震支座下支墩頂面找平，嚴(yán)格控制其水平度誤差范圍不超過0.5%；

（5）隔震支座連接件預(yù)埋時(shí)，要保證預(yù)埋錨筋垂直地面，避免出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象；

（6）二次灌漿澆筑過程中嚴(yán)禁站在定位預(yù)埋板上澆筑，以防止軸線、標(biāo)高及水平度產(chǎn)生偏差，影響安裝質(zhì)量；

（7）在進(jìn)行儲(chǔ)罐承臺(tái)砼施工階段，應(yīng)對(duì)隔震支座進(jìn)行臨時(shí)保護(hù)，避免混凝土水泥漿黏附于隔震支座外層保護(hù)膠上。

由于現(xiàn)場(chǎng)安裝過程中的疏忽或操作不當(dāng)，對(duì)工程項(xiàng)目會(huì)產(chǎn)生較大的施工質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益影響。以本項(xiàng)目為例，在隔震支座預(yù)埋板二次灌漿初期的驗(yàn)收中，發(fā)現(xiàn)由于對(duì)操作規(guī)范理解不到位、技術(shù)交底未做到全員覆蓋、攪拌設(shè)備不良、預(yù)埋板排氣孔較少、灌漿不充分以及夜間照明不足等原因，導(dǎo)致了部分預(yù)埋板會(huì)存在麻面嚴(yán)重的情況，其中，最主要的原因是預(yù)埋板排氣孔較少和灌漿不充分。通過檢查發(fā)現(xiàn)，平均麻面率可達(dá)20%以上，最高麻面率可達(dá)到40%，嚴(yán)重影響了施工質(zhì)量，且預(yù)埋板下的麻面主要集中在灌漿孔-排氣孔區(qū)域，

針對(duì)預(yù)埋板內(nèi)部氣體不能排除的問題，采取了給預(yù)埋板增加排氣孔，并在灌漿臨近結(jié)束時(shí)，使用將助推器在灌漿口進(jìn)行推搗，使氣體充分排出；針對(duì)灌漿不充分的問題，增加二次灌漿量，將灌漿料表面與預(yù)埋板表面的距離控制在0.5mm之內(nèi)，同時(shí)檢查灌漿料上表面與預(yù)埋板是否齊平。通過一系列對(duì)策，抽檢后整體的平均麻面率降低到了6%左右，達(dá)到了工程要求，解決了施工質(zhì)量問題，并帶來了較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4 隔震支座更換方案

根據(jù)《建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求，隔震層中隔震支座的設(shè)計(jì)使用年限不應(yīng)低于建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限。當(dāng)隔震層中的其他裝置的設(shè)計(jì)使用年限低于建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限時(shí)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)注明并預(yù)設(shè)可更換措施。一般來說，隔震支座的壽命一般在20年，而LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)使用年限為50年，因而，在LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，隔震支座需要進(jìn)行定期更換，但目前隔震支座更換的工程實(shí)例相對(duì)較少，尚不能形成隔震支座更換的標(biāo)準(zhǔn)流程供各工程項(xiàng)目參考。

橡膠隔震支座主要由橡膠片和鋼板相互交疊放置，經(jīng)過高溫加熱且硫化處理制作而成，其內(nèi)部包括天然橡膠、填充劑、防老化劑以及補(bǔ)強(qiáng)劑等組成，橡膠層與鋼板層之間能夠緊密粘結(jié)，當(dāng)橡膠支座受到垂向荷載時(shí)，其橫向變形受到約束，使得具有很大的豎向承載力和剛度，除此之外，橡膠和鋼板的自身特性，使得支座結(jié)構(gòu)具有一定的彈塑性特征，在地震作用下具有足夠的水平抵抗能力，從而保證結(jié)構(gòu)的安全。通常對(duì)隔震橡膠支座的更換采用模塊化的方式整體更換，具備流程簡(jiǎn)單、操作性強(qiáng)、集成化水平高等優(yōu)點(diǎn)。

本項(xiàng)目中LNG儲(chǔ)罐外圍為混凝土墻，下部支座承受的荷載比一般民用建筑要大，更換隔震支座時(shí)的頂升過程需克服上部LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的重力。整個(gè)隔震支座更換對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工工序、施工方法以及操作人員資質(zhì)要求較高。本文提供的隔震支座更換方法可以解決在LNG儲(chǔ)罐運(yùn)營(yíng)中，已經(jīng)產(chǎn)生了較大的豎向壓縮變形和水平位移的隔震支座的更換問題，能夠準(zhǔn)確的進(jìn)行新隔震支座的定位，操作便捷、費(fèi)用較低且較為安全。

在更換隔震支座前，先將隔震支座的上下法蘭板用鋼板焊接，避免對(duì)上部混凝土結(jié)構(gòu)造成不利的影響。隔震支座更換時(shí)，由于舊的隔震支座在LNG儲(chǔ)罐運(yùn)行期間已產(chǎn)生較大豎向壓縮和水平位移，要確保新的隔震支座能夠準(zhǔn)確就位，在整個(gè)更換過程中起著至關(guān)重要的作用。隔震支座原標(biāo)準(zhǔn)孔位與位移變形后的新孔位，如圖4（左），儲(chǔ)罐隔震支座更換流程如圖4（右）所示。

圖4 隔震支座法蘭板原標(biāo)準(zhǔn)孔位與新開孔位置對(duì)比（左），隔震支座更換流程（右）

更換過程中，要以最小的頂升高度來完成操作過程，避免對(duì)上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，同時(shí)，更換的位置及順序也非常重要，需要在更換前制定一套完成的操作流程。值得注意的是，在一些特殊情況下，當(dāng)隔震支座水平位移較大時(shí)，僅依靠重新開孔已經(jīng)無法滿足新支座定位需求，要增大其法蘭板的板面尺寸，從而滿足能夠覆蓋到支座水平偏移的要求。

在隔震支座更換中需要關(guān)注的技術(shù)要點(diǎn)[5]，如下：

（1）施工前要做好操作人員的專業(yè)培訓(xùn)和技術(shù)交底，同時(shí)整個(gè)更換過程要配有應(yīng)急保護(hù)設(shè)備和保護(hù)措施，預(yù)防突發(fā)事件的應(yīng)急保護(hù)；

（2）位移控制，逐級(jí)加載，頂升上部結(jié)構(gòu)的位移量盡量小，并且要同時(shí)將周圍區(qū)域同步頂起，減小變形和集中受力，保證上部LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的安全；

（3）檢查上下支墩的平整度，平整度不滿足要求的需要進(jìn)行打磨，避免阻礙新隔震支座的安裝；

（4）混凝土存在收縮徐變及溫差效應(yīng)，會(huì)對(duì)隔震橡膠支座帶來水平位移，導(dǎo)致預(yù)埋件孔位隨之發(fā)生偏移，新支座無法與上下預(yù)埋件準(zhǔn)確連接；

（5）在拆除隔震支座螺栓過程中，擰松法蘭板上的螺栓，但不要卸下螺栓，否則在上支墩頂起后，螺栓受到剪力作用，難以拆卸；

（6）隔震橡膠支座豎向會(huì)存在一定的壓縮

量，組合新的隔震支座要按照測(cè)得的豎向壓縮量進(jìn)行施壓，以達(dá)到相同的壓縮量。

5 結(jié)論

通過本文對(duì)隔震技術(shù)的研究及現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)例分析可知，基礎(chǔ)隔震技術(shù)雖有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些需要進(jìn)一步研究和解決的問題，在我國(guó)的隔震支座應(yīng)用于LNG儲(chǔ)罐的實(shí)例還比較少，我國(guó)目前還沒有統(tǒng)一的橡膠隔震支座施工規(guī)范，主要技術(shù)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)還要通過國(guó)外隔震支座供應(yīng)商的指導(dǎo)意見來完成。此外，在更換隔震支座方面，更是缺少技術(shù)資料和實(shí)例參考，想要達(dá)到成熟的隔震支座更換指導(dǎo)和標(biāo)準(zhǔn)體系，還需要經(jīng)過長(zhǎng)期的方法研究和實(shí)例總結(jié)。本文對(duì)現(xiàn)階段LNG儲(chǔ)罐隔震技術(shù)進(jìn)行總結(jié)性分析，并針對(duì)本項(xiàng)目工程實(shí)例，歸納了隔震支座安裝方法和技術(shù)要點(diǎn)，并提供了一種適用于LNG儲(chǔ)罐隔震支座的更換方案，為超大型LNG儲(chǔ)罐現(xiàn)場(chǎng)施工提供一些技術(shù)參考。