10000m3LNG储罐基础结构的设计研究

章万胜 蒋玉敏

（1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司第四设计研究院 天津300074；2.中国市政工程华北设计研究总院有限公司合肥分公司 230022）

引言

随着人们环保意识的逐渐提高，清洁能源在世界范围内得到重视。液化天然气（Liquefied Natural Gas，以下简称LNG）作为一种具有低消耗、低污染等优点的重要化工原料，需求量与日俱增。然而目前的天然气资源分布并不均衡，为了最大化合理利用现有资源，解决LNG储存问题成了当前的重点工作之一，很多科研工作者对此做了相关研究，且取得了一定成果［1-6］。如罗冬雨、孙建刚等利用有限元软件ADINA建立了16×104m3三维实体模型，对比分析了考虑桩土隔震、不隔震和不考虑桩土隔震、不隔震4种工况下储罐的地震响应［6］；李云鹏、王芝银［7］从抗倾覆能力、自振周期、单桩水平地震力等方面对比了高、低两种桩基承台下储罐结构与基础的抗震性能。

LNG储罐作为通用的LNG储存方式，无论是在LNG接收站还是液化天然气厂，都是最重要的设备之一［8］。而储罐基础作为支撑LNG储罐的重要结构，对其设计方法进行分析研究，对天然气的顺利使用有重要意义。

考虑上述各种因素，本文通过对某10000m3LNG储罐基础设计过程进行梳理，从工艺条件、地质情况、基础选型、计算分析模型、沉降控制等方面做了介绍，同时得到相应的结果，对后续结构设计人员保证储罐基础设计合理和使用安全有一定参考价值。

1 工程概况

1.1 工艺条件

本工程为安徽省某LNG应急调峰气源工程项目，LNG储罐采用单容式双壁贮罐，内罐盛装低温LNG液体，外罐盛装保冷材料及BOG（Boil Off Gas，LNG蒸发气体）。罐体容积为10000m3，高28.915m，外罐直径27.000m，内罐直径25.000m，主要结构形式见图1。

图1 储罐结构Fig.1 Tank structure

1.2 工程地质情况

项目位于北亚热带湿润季风气候区，场地类别为Ⅱ类，属于抗震有利地段。抗震设防烈度为7度，设计基本加速度值为0.10g，设计地震分组为第一组，基本风压为0.35kN/m2。罐区主要岩土技术参数如表1所示。

表1 典型土层的物理力学性质指标Tab.1 Indices of physico-mechanical properties of typical soil layers

2 储罐基础选型

2.1 基础类型介绍

LNG储罐属于低温深冷设备（LNG常压沸点为-162℃），运行时LNG的冷量会通过储罐底部传至基础，导致基础周围土体及基底持力层受冷破坏，从而加剧LNG储罐进出口管道的变形和沉降。结构设计时主要通过尝试采用不同类型基础来解决这一问题，主要有：地面筏形基础、柱（或墙板）支撑的高架板式基础以及高桩承台基础，具体结构见图2。

图2 基础类型Fig.2 Different types of foundation

地面筏形基础通过电加热的形式防止基底土壤冻结，而电加热器的使用寿命不超过20年，加热系统50年内需更换2次［9］。考虑长期运营时造价太高，经济效益低，一般不予采用。

高架板式基础以及高桩承台基础主要通过基础架空部分周围的空气流动带走LNG的冷量。同时，为了保证基础周围土体温度高于冷冻温度，高架板式基础的基础板（或高桩承台的承台板）底面距离自然地面的净空不宜少于1.5m。

对于结构设计来说，储罐及基础的抗震性是储罐基础选择时最为关注的问题之一。相关研究［7］表明，低承台基础结构的抗震能力要优于高桩承台基础结构。

2.2 基础类型选择

综合对比三种基础类型的经济性和抗震性能，本项目最终选取高架板式基础，并在此基础上进行改良，将传统的多桩承台板用单桩承台和两桩条形承台来替代，承台之间设地基梁，基本布置见图3。这种做法的优点在于：一是节约材料，经济性好；二是地基梁与桩承台形成整体结构，抗震性能好，且能抑制地基不均匀沉降。主要结构截面尺寸见表2。

表2 基础截面尺寸Tab.2 Section size of foundation

图3 承台及地基梁布置Fig.3 Layout of cap and foundation beam

2.3 地基处理方案确定

实体方桩与预制管桩均属于挤土桩，在使用阶段，主要的工作荷载均由桩侧摩阻力承担，适用于端承摩擦桩的工作机理，以摩擦力为主。张忠苗、喻君［10］等对预制方桩和PHC管桩的受力性状进行了试验对比分析，发现在侧摩阻力较高的粘土层范围内，PHC管桩的平均侧阻要比预制方桩低8.1%，即与PHC管桩相比，预制方桩更能充分发挥桩侧摩阻力。从实践经验来看，实体方桩有使用寿命长、承载力高、抗腐蚀性强、施工过程损耗小等优点。

本项目储罐基础所在地全场分布②层粘土，土层厚度13.8m～15.9m，且粘土的桩极限侧阻力标准值较高（qsk=95kPa），能够充分发挥桩的侧摩阻力。因此，地基处理方案选择预制实体方桩，桩基截面为450mm×450mm，桩长16.5m。

3 储罐基础平台设计

3.1 模型简介

高架板式基础作为一种特殊的结构形式，掌握其建模要点对结构设计的可靠性有重要意义。

采用结构设计软件PKPM对储罐上部基础平台进行建模，将其简化为钢筋混凝土板式框架并在外圈设置暗环梁，如图4所示。考虑SATWE特定的结构传力形式，在PMCAD建模时输入虚梁，从而形成完整的板-梁-柱传力体系。PKPM计算时，虚梁不参与计算，仅作为一种传递荷载的载体，为楼板提供边界，同时为SlabCAD模块中楼板单元的划分提供路径。

单元的形状和大小直接影响结构计算精度，取1000mm作为板单元划分最大边长（Dmax）。较小的Dmax虽然能够提高计算精度，但同时会产生应力集中现象，使模型在一定程度上失真。考虑到虚梁的设置，程序自动按照虚梁位置分布划分板单元，最终单元大小在880mm左右得到较为理想的计算结果，单元划分如图5所示。

3.2 模型荷载输入及其计算结果

不考虑罐体内力，储罐基础设计所需部分相关荷载见表3。在水压试验、正常操作、储罐放空检修以及地震作用4种荷载效应组合条件下分别对储罐基础进行计算，最终设计上部基础平台如图6所示。承台上方设φ700框架柱，柱上设1000mm厚储罐基础板，板外圈设1200mm×900mm（宽×高）暗环梁。暗环梁可作为罐壁的锚固点，满足储罐基础的功能需求，同时能有效减轻局部柱布置不均匀导致的应力过于集中问题。

图4 结构模型Fig.4 Structural model

图5 板单元划分Fig.5 Division of board unit

图6 上部基础平台Fig.6 Foundation platform

表3 储罐基础荷载明细Tab.3 Load schedule of tank foundation

4 基础沉降观测

在每一直径圆基础上设置6个观测点（D1～D6）作为沉降观测的控制点，观测点采用M20粗制圆头铆钉，高出地面0.5m。具体布置方式为：罐中心对称布2个，沿外径均匀布4个，均设置在框架柱上，如图3所示。

考虑储罐试水时间较短，不能准确反映出正常操作条件下LNG对储罐基础的作用力，取1.25倍物料满载时的重力作为试验压力。设定上水速度为50m3/d，充水高度为12.66m，具体预压方案如表4所示。

表4 充水预压方案Tab.4 Scheme of water preloading test

表5为充水试验得到的沉降观测数据。分别取3m水位、6m水位、9m水位、12m水位及放水后的观测值进行分析，结果表明：

1.储罐基础在整个充水周期内沉降均匀，且在允许范围内变化；

2.储罐基础累积沉降最大值为4mm，满足最大允许沉降25mm的要求。

3.在充水预压的过程中，储罐基础已经完成主要沉降，地基基本达到稳定状态。

表5 沉降观测结果Tab.5 Results of settlement observation

5 结论

本文基于安徽省某LNG应急调峰气源工程项目，介绍了LNG储罐基础的设计过程，并对完工后的充水预压试验进行验证分析，得到了如下结论：

1.与传统多桩承台相比，通过地基梁将单桩承台与两桩条形承台连接，不仅节约材料，且整体抗震性能强，能够有效抑制地基不均匀沉降。

2.PKPM建模计算时应设置虚梁，使结构形成完整的传力体系，同时为板单元划分提供有效路径。

3.结构计算时需综合考虑水压试验、正常操作、储罐放空检修以及地震作用4种工况，取不利值进行设计。

4.储罐基础沉降观测周期内，沉降变化均匀，累积最大沉降值仅为4mm，较好地满足了规范及相关专业要求。