摘要：全容式混凝土LNG儲罐結構設計的關鍵和難點在于其抗震的設計。江蘇LNG接收站擴建工程20萬方LNG設計過程中，通過對高樁承臺剛性連接方案和隔震設計方案進行了對比分析，確定了隔震設計方案。采用隔震方案后，經過對儲罐結構相應的設計優化，不僅提高了儲罐抗震性能，還降低了建設工期，大幅度降低了建投資。

　　關鍵詞：隔震橡膠支座LNG儲罐地震力樁基

　　前言

　　LNG儲罐基礎的設計形式與地質條件、地質環境、地震因素等諸多因素有關。抗震性是儲罐基礎設計中最為關鍵的問題之一，也是LNG儲罐結構設計的難點。根據分析結果，高承臺樁基的水平地震響應大于低承臺8.69%、垂直地震響應大于6.34%，低承臺樁基的抗傾覆能力比高承臺高12.11%[1]。

　　1LNG儲罐基礎形式簡介

　　國際上LNG儲罐的基礎形式包括：高樁承臺基礎、電伴熱地面式基礎、電伴熱樁式地面基礎、板式高承臺基礎。國內一般采用的是高樁承臺基礎和電伴熱樁式地面基礎(落地承臺)。樁式地面基礎需要設置電加熱系統，通過控制通電和斷電維持溫度在一定范圍，防止低溫液體的冷量對地基產生影響。電伴熱系統防爆要求高，控制較為復雜，有長期使用費用，故障率高且維修不便。

　　單從結構穩定性及抗震角度考慮，落地承臺結構要優于高承臺基礎結構，但從后期運營角度，高樁承臺利用流動的空氣帶走冷量，可省去相應的電加熱控制系統，運營和維護更加方便。儲罐承樁基設計主要考慮地震作用與儲罐自重等因素，其中水平承載力主要受地震作用影響。根據LNG儲罐設計規范EN14620-2006，儲罐的抗震設計應基于動力學地震反應譜計算，根據現場的操作工況地震反應譜(OBE)和安全停運地震反應譜(SSE)進行地震校核。

　　2非隔震方案計算

　　20萬方LNG儲罐設計和建造在國內尚處于起步階段，僅江蘇LNG二期一座20萬方LNG儲罐(T-1204號罐)已建成投產，采用的是電伴熱樁式地面基礎。電伴熱系統，控制較復雜、故障率高、維修不便，從后期使用方便的角度出發，江蘇LNG接收站擴建工程新增的2座20萬立方米LNG儲罐，基礎設計優化為高樁承臺結構。

　　根據LNG儲罐設計規范EN14620-2006，利用地震反應譜計算方法,結合江蘇LNG工程場地地震反應譜參數值，計算得到了不同阻尼比的地震動反應譜及儲罐單樁樁頂荷載。根據計算結果，相較于T-1204號罐，新建的20萬方LNG儲罐由于承臺抬高了2米，豎向荷載和水平荷載均增加。根據樁頂約束轉動下的樁土共同作用計算模型進行靜力計算，得到了新建20萬方LNG儲罐地基處理所要達到的目標m值為20000KN/m4。

　　已建20萬方LNG儲罐(T-1204號罐)地面用碎石換填法進行的地基處理，換填深度2.3米。地基處理后的m值為13000KN/m4，小于20000KN/m4的要求，若采用與T-1204號罐相同的地基處理方案，樁基承載力不能滿足要求。根據計算結果，新建LNG儲罐墊層如果要達到m值大于20000KN/m4的要求，換填深度要達到3.5米以上，地基處理難度很大。即使更換為級配砂石換填方法進行地基處理，仍存在工程經驗不足問題，換填深度需要現場試驗確定，影響工期。

　　3隔震方案設計

　　3.1隔震原理

　　在樁基與LNG儲罐罐底間加入隔震橡膠墊,形成隔震層,可延長儲罐自振周期，避開場地的特征周期，避免形成共振，同時增加結構體系的阻尼，減小地震力向上部儲罐的傳遞，達到降低儲罐地震水平力的目的，并且使儲罐在震中或震后具有自動復位能力。橡膠隔震墊是由橡膠片和薄鋼板相互疊置，經高溫加熱并硫化制作而成，支座內部除了天然橡膠外，還添加了補強劑、填充劑和防老化劑。由于橡膠層和疊層鋼板的緊密粘結，當橡膠墊承受垂直荷載時，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。

　　3.2儲罐隔震方案計算

　　LNG儲罐在基底設置隔震時，將底板作為一個計算單元，混凝土罐壁和罐頂作為一個計算單元，液體和內罐罐壁作為一個計算單元，通過各自的動力特性建立彈簧單元連接，整體結構在水平地震作用下整體平動。

　　加入隔震墊后，由地震作用和自重作用進行荷載組合得到的單樁樁頂荷載(隔震數值列)。根據計算結果，若采用高承臺隔震方案，最大地震水平作用力可減少71%。地震作用力大幅降低，對于地基處理的要求也相應下降。根據樁頂轉動自由下的樁土共同作用計算模型進行靜力計算，得到地基處理所要達到的目標m值為7000KN/m4，小于T-1204儲罐地基處理后達到的m值13000KN/m4，級配砂石換填達到2.0m即可滿足要求。

　　3.3樁基方案確定

　　根據隔震及非隔震設計方案研究結果，采用隔震橡膠墊能降低樁基施工難度，提高上部儲罐安全性，且新增隔震墊的費用，與樁基設計優化后減少的費用基本相同，不會導致費用增加。擴建工程最終確定采用樁頂隔震的樁基設計方案。

　　橡膠支座產品包括天然橡膠支座、鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座、滑板支座、三維隔震支座等。由于LNG儲罐的隔震橡膠墊為非定型產品，與常見的應用于橋梁、建筑上的橡膠支座不同，需要制造廠家根據設計要求進行定制并按技術要求進行型式試驗，合格后才能進行量產。為了從國內廠家中選出符合LNG儲罐用技術要求的橡膠墊產品，由業主和總包組成的考察組先后對多家潛在供貨商進行了實地考察，根據考察結果，最終選擇了高阻尼隔震橡膠支座作為LNG儲罐樁基隔震支座。

　　4隔震墊應用效果分析

　　4.1工程應用效果分析

　　采用隔震方案后，減少樁基水平荷載71%，減少豎向荷載28%，提高儲罐抗震性能。地基處理要求大大降低，墊層換填深度從3.5m降為2m厚度，降低了施工難度和費用。混凝土底板在熱脹冷縮時受到樁基的約束減小，有效改善承臺混凝土表面的溫度裂紋。樁基施工可采用一次整體成型的施工工藝，節省樁基施工工期，降低鋼筋用量15%。增加隔震墊后降低了樁徑，混凝土用量節省14%。

　　相較于落地承臺，儲罐底板不再需要設置電伴熱系統，節省了直接投資和后期維護成本。預應力混凝土外罐、Ni9鋼內罐設計也相應進行了優化，如罐壁厚度從變截面改為等截面，取消了較難施工的內罐錨帶及膨脹節結構，優化減小內罐壁板厚度等，節省了工期。樁頂隔震措施降低了液體在地震工況下對底板的作用效應，底板中部和外圈厚度優化降低。

　　4.2經濟效益分析

　　單座LNG儲罐隔震墊支座購置費1400萬。采用隔震設計后，樁徑降低，混凝土及鋼筋費用減少1000萬。與已建的20萬方LNG儲罐相比，節省了電伴熱、錨固帶及膨脹節的購置費約500萬。9%Ni鋼板用量降低節省費用約600萬。外罐設計優化帶來施工成本降低約800萬。可見，雖然采用隔震方案增加了橡膠支座的購置費，但儲罐抗震性能提高帶來的一系列優化，仍使儲罐建設投資降低了1500萬。

　　工程論文投稿刊物：巖土力學是由中國科學院武漢巖土力學研究所主辦的綜合性巖土力學與工程學術期刊。設置欄目有：巖土力學、巖土工程、典型工程實錄、測試技術與測試方法、綜述、討論、信息、學術與工程動態、學術講座。

　　5總結

　　LNG儲罐一般均建設在沿海地帶，為松軟地基，高承臺加高阻尼隔震支座的樁基設計方案，從很大程度上降低了儲罐的地震響應，降低樁基的施工難度，對提高儲罐和樁基的抗震安全性具有十分重要的意義。結合采用橡膠隔震墊帶來的一系列設計優化來看，其經濟性也更好。綜合而言，高阻尼隔震橡膠支座在江蘇LNG接收站20萬方LNG儲罐的應用非常成功，也為后期的LNG儲罐建設提供了重要參考和借鑒。

　　參考文獻：

　　[1]李云鵬，王芝銀.LNG儲罐高低承臺樁基礎抗震性能對比分析[J].巖土力學，2010，11(31).

　　作者：張水紅