基于地震響應分析的超大容積液化天然氣LNG 儲罐基礎方案對比研究

龔洪偉

(中海油福建漳州天然氣有限責任公司，福建 漳州 363122)

1 引言

超大容積液化天然氣（LNG）儲罐在單位容積投資成本、土地利用率和儲罐BOG 蒸發率等方面優勢明顯。地震響應作為儲罐結構設計的重要控制工況，在超大容積LNG 儲罐結構設計中影響更加明顯。國內很多學者開展了相關研究:單彤文[1]指出未來常規LNG 儲罐的研究將趨于精細化和集成化，同時必須與試驗研究、理論計算及監測分析等手段相結合以驗證目前數值計算的準確性；羅東雨等[2]研究了中軟場地上大型LNG 儲罐的地震響應，分析樁土相互作用對上部結構的影響；沈朝勇等[3]采用ADINA 軟件建模研究近場多維地震作用下三維隔震儲罐的動力響應；管友海等[4]采用ADINA 軟件建立了LNG 儲罐三維模型，研究隔震支座參數對儲罐隔震效果的影響；李云鵬等[5]采用彈性振動理論對全容式儲罐高、低承臺樁基的抗震性能進行對比分析。但以上研究并未涉及超大容積LNG 儲罐的基礎選型，對于設計工作的指導意義有限。

本文基于漳州某液化天然氣（LNG）儲罐工程場地的地質情況和地震條件，考慮隔震墊作用，采用數值模擬軟件ANSYS 對比分析不同基礎形式對應超大容積LNG 儲罐地震響應的區別，得到最優基礎方案，為設計工作提供有益的理論支撐。

2 工程簡介

2.1 地質情況

根據巖土工程詳勘報告可知：擬建區域上部地層主要為素填土，平均厚度13.58m，已進行了振沖加密處理，地基土承載力特征值150kPa；下伏中風化凝灰熔巖，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。

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

2.2 地震條件

擬建場地類別為Ⅱ類，場地地震動峰值加速度調整系數1.0，場地基本地震動峰值加速度為0.20g，抗震設防烈度為8 度，反應譜特征周期0.45s。

3 儲罐基礎方案選擇

結合工程場地地質情況、地震條件及以往項目經驗，本文主要對比2 種儲罐基礎方案：隔震墊+單筏板和隔震墊+雙筏板。

3.1 設計基礎條件

計算中，平均樁長按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，各方案的內力計算結果如下：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 各方案計算結果

基礎設計受水平力控制，豎向承載力暫不校核。規定如下：1 000mm 樁徑方案達到1 200 根；1 200mm 樁徑方案達到900 根；1 500mm 樁徑方案達到600 根情況下，如果安全系數仍不能到1，默認為方案無法滿足要求。各方案計算結果如下：

1）隔震墊+單筏板，樁徑分別取1 000mm、1 200mm 和1 500mm，對應樁數分別為1 200 根、900 根和600 根，對應安全系數分別為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，對應樁數為1 200 根，對應安全系數為0.95，不滿足要求，樁徑分別取1200mm 和1500mm 時，對應樁數分別為814 根和416 根，對應安全系數均為1.00，滿足要求。

綜上，隔震墊加單筏板基礎設計困難，主要是由于隔震墊的存在使得儲罐承臺和樁基礎的連接偏弱，從而影響了基礎的水平抗力，但考慮隔震墊方案的使用，降低了內外罐的加速度，對內外罐設計有利。

4 隔震墊方案的應用探討

初步計算表明，傳統的儲罐地基方案設計會在儲罐抗震設計中產生巨大的問題，例如，內罐滑動穩定性、鋼板厚度、鉆孔灌注樁墊層等，因此，建議在高地震烈度地區的儲罐罐底板下使用隔震墊。隔震墊的阻尼可降低地震加速度，將儲罐響應降到較低的頻率。

在地震荷載作用下評估儲罐性能是十分必要的，對所要求的隔震裝置應給予特殊考慮。土- 結構相互作用計算過程中所要求的土壤和地震數據已在儲罐設計基礎中提供，這些土壤和地震數據對不同類型的大型儲罐的任何動態計算都是有效的。結果表明，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

單筏板基礎形式與雙筏板基礎形式有著各自的特點。單筏板基礎底板不僅與儲罐底板接觸，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，還承受樁頂的反力作用，因此，需要較大的剛度（厚度）才能滿足罐體對底板剛度（厚度）的要求和樁基對承臺的抗沖切要求。雙筏板基礎一方面下底板直接與地基基礎接觸，能使樁和土之間形成共同作用，大大降低所需樁數，從而降低成本，增加效益；另一方面，上下筏板通過短柱聯系，可有效地調節剛度，從而達到調節基礎沉降的作用，有效改善沉降差。

4.2 計算模型

在三維有限元模型中模擬了土壤、樁、軸承和罐體結構，能夠顯著提高計算結果的準確性。

4.3 計算結果分析

樁土相互作用計算結果表明，水平樁群效應的作用得到了明顯的驗證，外圍樁比內樁的荷載大得多。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，它可以連接樁與儲罐，并避免水平樁群效應。

在考慮了土壤、樁、儲罐和隔震墊特性的情況下，進行靜態計算，在計算中設置與樁相同的特性以模擬無隔震墊的連續樁。將水平力應用于板坯，計算了板坯的相應位移。這種計算無隔振墊條件下的地基響應考慮了水平群樁效應。

隔震墊元件的詳細分析結果已經闡明了以下情況：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。內樁不受周圍土體的側向支承，在沒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。這些內部隔震墊的剛度起著很高的作用，減小水平位移。

因為中心工程樁承受的荷載遠比外圈樁大得多，因此，隔震墊的實際總水平剛度是設置在非常堅硬介質上的單獨隔離墊總和的8 倍。但這只適用于“PGA 不超過0.1g～0.15g”的“軟”地震。對于較強的地震，在地面上設置一個剛性的混凝土板圍住工程樁或設置雙筏板支承橡膠支座。

5 結語

地震響應是超大容積LNG 儲罐設計的主要控制工況，尤其是地震產生的水平荷載將直接影響基礎形式選擇。隔震墊結構能夠降低地震加速度，將儲罐響應降到較低的頻率，有效減小水平位移，在強震條件下必須安裝。通過數值模擬模型計算結果，在滿足安全系數要求的方案中，雙筏板加隔震墊方案能夠減少15%的樁基數量和18%的鋼筋混凝土用量。雙筏板基礎能夠使隔震墊更有效地工作，減少儲罐頻率和加速度。