超大型LNG储罐隔震支座安装及更换技术研究

佟姝茜

（海洋石油工程股份有限公司，天津，300457）

引言

自20世纪末，国内LNG储罐工程建设进入了高发期，随着LNG储罐容积的逐渐增大，其安全问题也成为了重中之重。对于大型LNG储罐，地震会导致其丧失使用功能，而且爆炸、火灾及环境污染更会引发灾难性后果，这些破坏所导致的损失远远超越了储罐本身及储液的经济价值[1]。随着LNG储罐设计、建造技术不断发展，近年来新建和扩建的LNG储罐呈现出单体罐容大型化的趋势，20万方储罐面临新的问题，储罐的规模效应明显[2]，地震对其安全性的影响也越来越严重。

本文中的唐山某20万方LNG储罐工程项目，处于地震带上，其地震作用高于其它地区，这就要求在储罐建设中需要采取有效的隔震措施来降低灾害的影响。现有理论研究表明，在LNG全容式储罐设计建造中应用基础隔震的方法，能够很好地降低储罐的地震响应，提高储罐的安全性。

隔震支座寿命一般为60年，LNG储罐的设计使用年限为50年，但是通过调研现有的应用现状，由于LNG储罐一般地处沿海区域，高盐高雾的环境条件，会加速隔震支座的腐蚀，因而需要定期的检查和更换隔震支座。在我国LNG储罐项目中应用隔震支座的实例还比较少，尤其在其更换方面，几乎空白，主要技术和质量标准均需要依据隔震支座供应商的指导意见来完成。本文在分析隔震技术的同时，提出了一种隔震支座更换方法，为现场施工提供一定的技术参考。

1 隔震技术

国内在对LNG储罐设计中针对地震等自然灾害影响的主要方法是从基础隔震措施、结构消能减震、主动控制技术方向来进行研究并采取相应的措施[3]。基础隔震就是基础顶面和LNG储罐之间设置具有足够可靠性的隔震曾，隔离基础和上部结构，控制地震作用力向LNG储罐的传递。隔震系统的水平刚度低于上部混凝土储罐的水平刚度，从而增加LNG储罐的自振周期，避开地震的卓越周期，避免类共振现象的发生，使地震能量和结构变形主要消耗在隔震系统中。

在LNG储罐工程项目中，通过基础隔震的方式降低地震危害的相对较多，其具有以下优点：

（1）采用基础隔震方式的LNG储罐，其地震反应仅为常规抗震结构地震反应的0.1-0.2；

（2）采用基础隔震设计，LNG储罐所承受的地震作用大大减小，构件截面尺寸减小、构件配筋数量减少，从而降低了LNG储罐的成本；

（3）由于地震能量和结构变形主要消耗在隔震系统中，后期维护检测的重点是隔震支座，比LNG储罐整体震后检测方便快捷，利于缩短检修周期、降低运营成本；

在LNG储罐工程领域，利用隔震支座来降低地震对结构的破坏，要求隔震支座能够长期的承受上部结构的重量，即使发生地震，也能够支撑住上部的结构重量，并且竖向的变形要尽可能的小，来保证LNG储罐整体结构的安全。

为了达到明显的隔震效果，隔震装置须具备以下特性[4]：

（1）竖向承载特性：在使用状况下，能安全地支承上部LNG储罐的所有重量和使用荷载，同时也应具备足够的竖向承载力安全储备，确保LNG储罐的安全，且满足使用要求；

（2）水平刚度特性：在强风和微小地震作用下，体系具有足够的弹性刚度，LNG储罐位移很小，从而不影响使用要求；当中强地震发生时，其水平刚度较小，LNG储罐水平滑动，使“刚性”变为“柔性”的隔震结构体系，其自振周期大大增加，远离LNG储罐的自振周期，从而把地面震动有效地隔开，明显降低上部LNG储罐的地震反应；

（3）弹性恢复特性：使上部结构在地震时能自动复位，地震过去后，上部结构能回到初始状态，从而满足正常使用要求。

目前，主要的隔震支座类型包括：天然橡胶支座、铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座、摩擦摆支座、弹性滑板支座等。本文工程项目采用具有叠层的天然橡胶支座来减小地震影响，橡胶材料是组成夹层橡胶隔震支座的基本材料。隔震橡胶支座一方面可以控制较小变形，另一方面利用通过橡胶支座具有弹性复位能力，震后能够自动恢复原样。

2 隔震装置连接件设计

针对隔震设计中，除了结构整体隔震分析外，更主要的是隔震支座连接件的设计和校核。在设计中，隔震支座与上部结构及下部结构的连接应可靠，要求隔震支座连接件在支座达到极限破坏状态时不产生破坏，在地震水平作用下，隔震支座发生较大的水平方向变形，如图1（左）所示：

图1 隔震支座及连接部位变形示意图（左），天然橡胶隔震支座滞回模型示意图（右）

根据《建筑隔震设计标准》要求，当隔震支座发生水平变形后，隔震支座及连接部位产生的附加弯矩如公式1所示：

通过对隔震支座附加弯矩和水平刚度的计算研究，可用于在隔震支座更换时，确定发生水平变形后隔震支座上下法兰板开孔位置，利于新隔震支座更换时螺栓开孔的精确定位。

3 隔震支座安装技术难点及措施

目前，隔震技术在工程中应用较少，根据工程实例，大部分采用的都是橡胶隔震支座，本项目桩径为1.4m，每个储罐配套使用370套LRB900隔震橡胶支座，每个支座设计竖向承压7634kN。

隔震支座的现场安装及流程如图3所示：

图3 隔震支座安装现场及安装流程图

隔震橡胶支座在安装过程中，需要注意以下要点：

（1）在灌浆浇筑及隔震支座安装过程中，要实时做好温度监测和记录，满足专人专岗，且操作人员需要满足事前培训和服从统一调度；

（2）施工过程中，设计图纸及操作流程要把好关，保证现场施工质量和安装程序；

（3）确定隔震支座安装的底部标高准确值，下支墩顶部的标高和轴线的控制是安装质量的关键；

（4）浇筑混凝土初凝时，及时对隔震支座下支墩顶面找平，严格控制其水平度误差范围不超过0.5%；

（5）隔震支座连接件预埋时，要保证预埋锚筋垂直地面，避免出现倾斜现象；

（6）二次灌浆浇筑过程中严禁站在定位预埋板上浇筑，以防止轴线、标高及水平度产生偏差，影响安装质量；

（7）在进行储罐承台砼施工阶段，应对隔震支座进行临时保护，避免混凝土水泥浆黏附于隔震支座外层保护胶上。

由于现场安装过程中的疏忽或操作不当，对工程项目会产生较大的施工质量和经济效益影响。以本项目为例，在隔震支座预埋板二次灌浆初期的验收中，发现由于对操作规范理解不到位、技术交底未做到全员覆盖、搅拌设备不良、预埋板排气孔较少、灌浆不充分以及夜间照明不足等原因，导致了部分预埋板会存在麻面严重的情况，其中，最主要的原因是预埋板排气孔较少和灌浆不充分。通过检查发现，平均麻面率可达20%以上，最高麻面率可达到40%，严重影响了施工质量，且预埋板下的麻面主要集中在灌浆孔-排气孔区域，

针对预埋板内部气体不能排除的问题，采取了给预埋板增加排气孔，并在灌浆临近结束时，使用将助推器在灌浆口进行推捣，使气体充分排出；针对灌浆不充分的问题，增加二次灌浆量，将灌浆料表面与预埋板表面的距离控制在0.5mm之内，同时检查灌浆料上表面与预埋板是否齐平。通过一系列对策，抽检后整体的平均麻面率降低到了6%左右，达到了工程要求，解决了施工质量问题，并带来了较高的经济效益和社会效益。

4 隔震支座更换方案

根据《建筑隔震设计标准》要求，隔震层中隔震支座的设计使用年限不应低于建筑结构的设计使用年限。当隔震层中的其他装置的设计使用年限低于建筑结构的设计使用年限时，在设计中应注明并预设可更换措施。一般来说，隔震支座的寿命一般在20年，而LNG储罐的设计使用年限为50年，因而，在LNG储罐设计使用年限内，隔震支座需要进行定期更换，但目前隔震支座更换的工程实例相对较少，尚不能形成隔震支座更换的标准流程供各工程项目参考。

橡胶隔震支座主要由橡胶片和钢板相互交叠放置，经过高温加热且硫化处理制作而成，其内部包括天然橡胶、填充剂、防老化剂以及补强剂等组成，橡胶层与钢板层之间能够紧密粘结，当橡胶支座受到垂向荷载时，其横向变形受到约束，使得具有很大的竖向承载力和刚度，除此之外，橡胶和钢板的自身特性，使得支座结构具有一定的弹塑性特征，在地震作用下具有足够的水平抵抗能力，从而保证结构的安全。通常对隔震橡胶支座的更换采用模块化的方式整体更换，具备流程简单、操作性强、集成化水平高等优点。

本项目中LNG储罐外围为混凝土墙，下部支座承受的荷载比一般民用建筑要大，更换隔震支座时的顶升过程需克服上部LNG储罐结构的重力。整个隔震支座更换对现场施工工序、施工方法以及操作人员资质要求较高。本文提供的隔震支座更换方法可以解决在LNG储罐运营中，已经产生了较大的竖向压缩变形和水平位移的隔震支座的更换问题，能够准确的进行新隔震支座的定位，操作便捷、费用较低且较为安全。

在更换隔震支座前，先将隔震支座的上下法兰板用钢板焊接，避免对上部混凝土结构造成不利的影响。隔震支座更换时，由于旧的隔震支座在LNG储罐运行期间已产生较大竖向压缩和水平位移，要确保新的隔震支座能够准确就位，在整个更换过程中起着至关重要的作用。隔震支座原标准孔位与位移变形后的新孔位，如图4（左），储罐隔震支座更换流程如图4（右）所示。

图4 隔震支座法兰板原标准孔位与新开孔位置对比（左），隔震支座更换流程（右）

更换过程中，要以最小的顶升高度来完成操作过程，避免对上部结构产生不利影响，同时，更换的位置及顺序也非常重要，需要在更换前制定一套完成的操作流程。值得注意的是，在一些特殊情况下，当隔震支座水平位移较大时，仅依靠重新开孔已经无法满足新支座定位需求，要增大其法兰板的板面尺寸，从而满足能够覆盖到支座水平偏移的要求。

在隔震支座更换中需要关注的技术要点[5]，如下：

（1）施工前要做好操作人员的专业培训和技术交底，同时整个更换过程要配有应急保护设备和保护措施，预防突发事件的应急保护；

（2）位移控制，逐级加载，顶升上部结构的位移量尽量小，并且要同时将周围区域同步顶起，减小变形和集中受力，保证上部LNG储罐结构的安全；

（3）检查上下支墩的平整度，平整度不满足要求的需要进行打磨，避免阻碍新隔震支座的安装；

（4）混凝土存在收缩徐变及温差效应，会对隔震橡胶支座带来水平位移，导致预埋件孔位随之发生偏移，新支座无法与上下预埋件准确连接；

（5）在拆除隔震支座螺栓过程中，拧松法兰板上的螺栓，但不要卸下螺栓，否则在上支墩顶起后，螺栓受到剪力作用，难以拆卸；

（6）隔震橡胶支座竖向会存在一定的压缩

量，组合新的隔震支座要按照测得的竖向压缩量进行施压，以达到相同的压缩量。

5 结论

通过本文对隔震技术的研究及现场工程实例分析可知，基础隔震技术虽有诸多的优点，但也存在一些需要进一步研究和解决的问题，在我国的隔震支座应用于LNG储罐的实例还比较少，我国目前还没有统一的橡胶隔震支座施工规范，主要技术和质量标准还要通过国外隔震支座供应商的指导意见来完成。此外，在更换隔震支座方面，更是缺少技术资料和实例参考，想要达到成熟的隔震支座更换指导和标准体系，还需要经过长期的方法研究和实例总结。本文对现阶段LNG储罐隔震技术进行总结性分析，并针对本项目工程实例，归纳了隔震支座安装方法和技术要点，并提供了一种适用于LNG储罐隔震支座的更换方案，为超大型LNG储罐现场施工提供一些技术参考。