10000m3LNG儲罐基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計研究

2018-08-20 09:05章萬勝蔣玉敏

特種結(jié)構(gòu) 2018年4期

章萬勝蔣玉敏

（1.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司第四設(shè)計研究院天津300074；2.中國市政工程華北設(shè)計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，以下簡稱LNG）作為一種具有低消耗、低污染等優(yōu)點的重要化工原料，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儲存問題成了當(dāng)前的重點工作之一，很多科研工作者對此做了相關(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16×104m3三維實體模型，對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比了高、低兩種樁基承臺下儲罐結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的抗震性能。

LNG儲罐作為通用的LNG儲存方式，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］。而儲罐基礎(chǔ)作為支撐LNG儲罐的重要結(jié)構(gòu)，對其設(shè)計方法進行分析研究，對天然氣的順利使用有重要意義。

考慮上述各種因素，本文通過對某10000m3LNG儲罐基礎(chǔ)設(shè)計過程進行梳理，從工藝條件、地質(zhì)情況、基礎(chǔ)選型、計算分析模型、沉降控制等方面做了介紹，同時得到相應(yīng)的結(jié)果，對后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計人員保證儲罐基礎(chǔ)設(shè)計合理和使用安全有一定參考價值。

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)峰氣源工程項目，LNG儲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 儲罐結(jié)構(gòu)Fig.1 Tank structure

1.2 工程地質(zhì)情況

項目位于北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，場地類別為Ⅱ類，屬于抗震有利地段。抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本加速度值為0.10g，設(shè)計地震分組為第一組，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Tab.1 Indices of physico-mechanical properties of typical soil layers

2 儲罐基礎(chǔ)選型

2.1 基礎(chǔ)類型介紹

LNG儲罐屬于低溫深冷設(shè)備（LNG常壓沸點為-162℃），運行時LNG的冷量會通過儲罐底部傳至基礎(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儲罐進出口管道的變形和沉降。結(jié)構(gòu)設(shè)計時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]長期運營時造價太高，經(jīng)濟效益低，一般不予采用。

高架板式基礎(chǔ)以及高樁承臺基礎(chǔ)主要通過基礎(chǔ)架空部分周圍的空氣流動帶走LNG的冷量。同時，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（或高樁承臺的承臺板）底面距離自然地面的凈空不宜少于1.5m。

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

2.2 基礎(chǔ)類型選擇

綜合對比三種基礎(chǔ)類型的經(jīng)濟性和抗震性能，本項目最終選取高架板式基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上進行改良，將傳統(tǒng)的多樁承臺板用單樁承臺和兩樁條形承臺來替代，承臺之間設(shè)地基梁，基本布置見圖3。這種做法的優(yōu)點在于：一是節(jié)約材料，經(jīng)濟性好；二是地基梁與樁承臺形成整體結(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理，以摩擦力為主。張忠苗、喻君［10］等對預(yù)制方樁和PHC管樁的受力性狀進行了試驗對比分析，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。從實踐經(jīng)驗來看，實體方樁有使用壽命長、承載力高、抗腐蝕性強、施工過程損耗小等優(yōu)點。

本項目儲罐基礎(chǔ)所在地全場分布②層粘土，土層厚度13.8m～15.9m，且粘土的樁極限側(cè)阻力標準值較高（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)制實體方樁，樁基截面為450mm×450mm，樁長16.5m。

3 儲罐基礎(chǔ)平臺設(shè)計

3.1 模型簡介

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

采用結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件PKPM對儲罐上部基礎(chǔ)平臺進行建模，將其簡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建模時輸入虛梁，從而形成完整的板-梁-柱傳力體系。PKPM計算時，虛梁不參與計算，僅作為一種傳遞荷載的載體，為樓板提供邊界，同時為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)計算精度，取1000mm作為板單元劃分最大邊長（Dmax）。較小的Dmax雖然能夠提高計算精度，但同時會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使模型在一定程度上失真。考慮到虛梁的設(shè)置，程序自動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算結(jié)果，單元劃分如圖5所示。

3.2 模型荷載輸入及其計算結(jié)果

不考慮罐體內(nèi)力，儲罐基礎(chǔ)設(shè)計所需部分相關(guān)荷載見表3。在水壓試驗、正常操作、儲罐放空檢修以及地震作用4種荷載效應(yīng)組合條件下分別對儲罐基礎(chǔ)進行計算，最終設(shè)計上部基礎(chǔ)平臺如圖6所示。承臺上方設(shè)φ700框架柱，柱上設(shè)1000mm厚儲罐基礎(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，滿足儲罐基礎(chǔ)的功能需求，同時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。