LNG双金属全容罐基础设计方法探讨

上海燃气工程设计研究有限公司 曹 艳

在天然气应急调峰储配站的建设项目中，LNG双金属常压低温储罐(以下简称LNG全容罐)的应用非常广泛。不同于常规的小型立式设备，LNG全容罐的自重和储存介质的荷载较大，且承受的水平及竖向地震作用也较大，上部结构对地基沉降非常敏感，同时还有基础与相邻土壤的渗透及冻胀等问题，因此储罐的基础设计是储罐设计的重要环节，也是石油化工及燃气行业的工程设计人员应当掌握的内容。

1 LNG全容罐的基础类型

1.1 浅基础

LNG全容罐直接座落于持力层上的钢筋混凝土筏形基础，罐体底部或基础顶部一般设有隔冷材料或电(蒸汽)伴热设施。

该基础型式虽然工程量小，施工周期短，但对场地土要求非常高。LNG接收站一般选址在沿海软土地区，天然地质情况很难符合要求，采取地基处理，则造价高昂、经济性差。因此，实际建设过程中浅基础除岩石地基等特殊情况外较少使用。

1.2 桩基础

一般可分为低桩承台基础和高桩承台基础。其中，低桩承台基础又可分为由低桩支撑的地面桩筏基础和置于由柱(或墙板)支撑的双层架空桩筏基础两种形式。高桩承台基础是指罐体置于由高桩支撑的架空桩筏基础。

1.2.1 地面桩筏基础

为防止地基土冻胀，减少由LNG低温储罐传入基础的冷量，在承台内需要埋入一定量的电阻丝(电伴热)，使与基础直接相接触的地基土温度高于冻胀温度。采用这种电伴热方法时，布置加热盘管复杂，电器要求防爆，控制系统繁复，且需要经常进行检测维修，后期运行维护费用有一定的增加。

采用该基础型式，在水平地震作用工况下，桩顶竖向压力及承台顶面弯矩与其他基础型式相比较小，对于抗震设防烈度较高的建设场地具有非常明显的优势，直接使基础工程量得到有效的减小，施工周期也相应较短，但配套的电伴热系统及后期运行维护的造价又使工程造价有一定的提高。

因此，地面桩筏基础适用于罐体容积中等(5000 ～30 000 m3)、建设场地抗震设防烈度较高(8度及以上)、供电系统建设工程量不大的建设项目。

1.2.2 双层架空桩筏基础

当基础顶部安装和维护电伴热系统不适宜、不经济时，应采用架空基础。

该基础型式是由置于天然地基上的承台与架空的钢筋混凝土厚板组成的双层架空桩筏基础，两层厚板之间由钢筋混凝土柱支撑并将上层储罐荷载传递至下层筏板再传至桩。上层厚板板底高出地面1.5～2.0 m，给空气流动留有通道，同时加长了冷量的传递路径，利用流动的环境空气带走冷量。自然通风，无需控制系统，也无防爆忧虑，同时储罐基础的抬高也有利于提高LNG的外输压力。

其缺点是在水平地震作用工况下，桩顶竖向压力以及承台顶面弯矩变大，且施工周期较长，双层板加短柱使工程量变大，是所有基础型式中最大的一种。该基础形式的优点是不需要额外布置电伴热，且受力形式明确，施工工序简单，不需要进行场地地基土的处理，在实际应用中非常广泛。

因此，双层架空桩筏基础适合用于罐体容积中等(5 000～30 000 m3)、建设场地抗震设防烈度较低(7度以下)的建设项目。

1.2.3 高桩承台基础

当基础顶部安装和维护电伴热系统不适宜、不经济，同时采用高桩设计合理时，宜采用高桩承台基础。

采用该基础型式对基桩的承载力要求较高，设计难度较大，表层地基土通常需要换填处理，且出地面部分桩基施工复杂，故施工周期较长，土建费用有一定的提高。整体土建工程量与地面桩筏基础相比增加不大，且省去电伴热系统的预埋安装与后期维护费用，经济性指标优势非常明显。随着设计及施工能力的提高，近年来在大型LNG储罐建设项目中应用最为广泛。

因此，高桩承台基础(架空桩筏基础)适合用于罐体容积较大(30 000～50 000 m3)、建设场地抗震设防烈度较低(7度以下)，且场地地基浅层土承载力较差的建设项目。

综合上述各种基础类型的优缺点，见表1。

表1 LNG双金属全容罐基础类型特点

2 LNG全容罐基础结构设计

2.1 设计使用年限和设计等级

LNG全容罐基础的结构设计使用年限为50 a，地基基础设计等级为甲级。设计的主要依据有：LNG储罐承包商提供的基础设计资料；工艺、管道、设备专业提供的条件；《岩土工程勘察报告》(详细勘察阶段)；国内外现行的标准、规范等。

2.2 荷载和荷载组合

2.2.1 荷载

对各荷载具体描述见表2，对LNG全容罐基础的荷载示意如图1所示。

图1 LNG全容罐基础荷载示意

表2 LNG双金属全容罐基础荷载明细

荷载分项系数可参考GB 50068－2018《建筑结构可靠度设计统一标准》、GB 50011－2010《建筑抗震设计规范(2016版)》及GB 51156－2015《液化天然气接收站工程设计规范》中的相关规定。

LNG全容罐基础的结构设计时需要考虑的荷载主要包括永久荷载、可变荷载和偶然荷载等。其中:永久荷载是指储罐自重及基础自重和基础上的土重等。可变荷载主要包括储罐中的LNG重、正常操作工况的气压和真空负压、充水试验工况的水重、气压试验工况的气压、罐顶钢平台活荷载、风荷载、雪荷载及热效应等。偶然荷载主要指爆炸荷载、冲击荷载、火灾热辐射作用以及泄露工况荷载等。一般情况下，LNG全容罐仅考虑内罐泄漏时对钢制外罐的作用。

根据GB/T 20368－2012《液化天然气(LNG)生产、储存和装运》及GB 51156－2015《液化天然气接收站工程设计规范》的相关规定，LNG储罐及其拦蓄系统，应按操作基准地震(OBE)和安全停运地震(SSE)两水准地震动设计，在OBE期间及之后储罐系统应能继续运行；在SSE期间及之后储罐的储存能力不变且应能对其进行隔离和维修。

2.2.2 荷载工况及荷载效应组合

不同工况时其荷载组合也有所不同。通常，空置工况下的荷载组合主要由永久荷载组成，不包括储存液体和设计气压；操作工况时则要考虑由永久荷载、设计液位重、设计气压、操作平台活荷载、风荷载、雪荷载及OBE或SSE地震荷载分别进行组合；试验工况时除了将气压试验与水压试验分别进行组合，还需考虑风荷载作用；泄露工况时仅考虑内罐泄漏时对钢制外罐的OBE地震作用效应。表3为各种荷载工况组合。

LNG全容罐基础荷载效应组合可参照表3的荷载工况进行组合，通常有标准组合、基本组合及准永久组合等。其中：标准组合用于正常使用极限状态，确定桩数、布桩、承台及桩身裂缝；基本组合用于承载能力极限状态，确定桩身水平及竖向承载力、桩身配筋、承台尺寸及配筋；准永久组合用于正常使用极限状态，计算沉降。具体荷载组合按GB 50007－2012《建筑地基基础设计规范》执行。

表3 LNG全容罐基础荷载工况组合明细

3 结构计算分析

3.1 计算方法

基础结构设计的计算内容包括：桩基承载力、桩身强度计算；沉降验算；抗震承载力验算；以及钢筋混凝土构件的承载力计算及裂缝变形验算等。不同的基础类型，选用的计算方法也有所不同。

(1) 对于低桩承台的地面桩筏基础宜采用弹性地基板单元，并采用有限元法分析。

(2) 对于低桩承台的双层架空桩筏基础，基础筏板有限元分析宜考虑上部结构的刚度；对于筏板厚度不小于柱间距1/4的筏板单元，有限元宜采用厚板模型，考虑筏板的尺寸效应，最小单元划分可以采用与柱截面边长相同或相近的尺寸。 该基础的顶板采用有限元分析时，为了方便进行有限元划分和导荷，可在顶板边缘及各柱间布置虚梁，也可在上述位置布置高度与板厚相同、宽度与柱截面相同的暗梁。顶板应采用弹性板，同时考虑平面内和平面外刚度。

(3) 对于高桩承台基础的基桩设计，应参照JGJ 94－2008《建筑桩基技术规范》附录C的方法，即考虑承台、基桩协同工作和土的弹性抗力作用计算受水平荷载的桩基，验算单桩及群桩承载力，并计算桩身内力。

对于以上各类桩基，均需要对工程桩进行强度和桩身裂缝宽度验算。当遇到软土地基、液化土层、冻土等特殊条件下的桩基设计时，还需进行有针对性的软弱下卧层验算、负摩阻力计算、抗冻拔稳定性验算等。

3.2 抗震设计方法

3.2.1 抗震要求

预期抗震目标至少应满足GB 50011－2010《建筑抗震设计规范(2016年版)》中基于性能设计的性能2要求。具体要求如下：

(1) 在设防地震(或称OBE操作基准地震)下，取50 a超越概率10%对应的地震反应谱进行设计。主体结构基本完好，处于弹性工作状态，应按线弹性分析方法进行结构承载力设计及变形验算，材料强度指标应取设计值，但与抗震等级有关的增大系数均取1.0，弹性层间位移角不应大于[θe]([θe]为弹性层间位移角限值，对于框架结构[θe]＝1/550)。

(2) 在罕遇地震(或称SSE安全停运地震)下，取50 a超越概率2%对应的地震反应谱进行设计。主体结构可以轻度破坏，宜采用弹塑性分析方法进行结构承载力设计及变形验算，材料的强度指标应取标准值，承载力按极限值进行复核，弹性层间位移角不应大于(1.5～2.0)[θe]。

3.2.2 软件计算方法

常用的结构设计软件PKPM，有以下两种模拟计算方法。可研阶段可采用第一种方法计算，初设或施工图阶段可采用第二种方法验算，取两次计算的包络值(即最不利值)。

第一种是不考虑储罐承包商或设备专业提供的OBE及SSE地震作用，在SATWE“性能设计”菜单中震设计点选“弹性”，同时地震影响系数最大值改为设防地震的数值，应根据建设项目的“场地地震安全性评价报告”取用，在此状态下进行承载力计算及设防地震下弹性位移验算。同样，大震设计点选“不屈服”，同时地震影响系数最大值改为罕遇地震的数值，变形验算需满足弹塑性位移满足≤(1.5～2.0)[θe]。此时，活荷载重力代表值系数取1.0。

第二种是考虑储罐承包商或设备专业提供的OBE及SSE地震作用。由于厂家提供的OBE地震作用即为设防地震作用，故无需再考虑中震弹性设计，将储罐承包商提供的OBE地震作用作为外加荷载(为了便于软件自动进行地震组合，建议作为恒载考虑)作用于储罐基础顶板，需要同时考虑地震作用下的弯矩和水平力。为了方便起见，可将弯矩折算为一对大小相等、方向相反的竖向力；水平地震作用力可以作为节点荷载均分至各个柱头。考虑到基础自重也应按中震考虑，则需将上述OBE地震作用乘以适当放大系数，放大系数大小可以取(1.0+u)，u值为地面以上基础自重(柱重及顶板重)/设备重(含设备重及物料重)。然后进行线弹性计算位移，需满足位移≤[θe]。比照上述方法，将SSE地震作用即罕遇地震作用加在基础顶板，然后计算位移，需满足位移≤(1.5～2.0)[θe]。

4 结语

LNG全容罐是城市燃气调峰、LNG液化厂、中小型LNG接收站等项目中的核心设备，其基础设计更是储罐设计的重要环节。近年来，随着计算机运算能力和有限元模拟软件的发展，对于大型LNG预应力全容罐，结合上部罐体与基础同步考虑地震作用下的模态及反应谱分析的应用也越来越广泛，未来也应该在LNG全容罐基础中考虑同步设计。当然，在实际工程设计中，还需要考虑基础沉降的控制要求及基础底板的防裂构造措施、大体积混凝土施工措施、隔水措施等。