隔震橡胶垫在20万方LNG储罐上的应用

　　摘要：全容式混凝土LNG储罐结构设计的关键和难点在于其抗震的设计。江苏LNG接收站扩建工程20万方LNG设计过程中，通过对高桩承台刚性连接方案和隔震设计方案进行了对比分析，确定了隔震设计方案。采用隔震方案后，经过对储罐结构相应的设计优化，不仅提高了储罐抗震性能，还降低了建设工期，大幅度降低了建投资。

　　关键词：隔震橡胶支座LNG储罐地震力桩基

　　前言

　　LNG储罐基础的设计形式与地质条件、地质环境、地震因素等诸多因素有关。抗震性是储罐基础设计中最为关键的问题之一，也是LNG储罐结构设计的难点。根据分析结果，高承台桩基的水平地震响应大于低承台8.69%、垂直地震响应大于6.34%，低承台桩基的抗倾覆能力比高承台高12.11%[1]。

　　1LNG储罐基础形式简介

　　国际上LNG储罐的基础形式包括：高桩承台基础、电伴热地面式基础、电伴热桩式地面基础、板式高承台基础。国内一般采用的是高桩承台基础和电伴热桩式地面基础(落地承台)。桩式地面基础需要设置电加热系统，通过控制通电和断电维持温度在一定范围，防止低温液体的冷量对地基产生影响。电伴热系统防爆要求高，控制较为复杂，有长期使用费用，故障率高且维修不便。

　　单从结构稳定性及抗震角度考虑，落地承台结构要优于高承台基础结构，但从后期运营角度，高桩承台利用流动的空气带走冷量，可省去相应的电加热控制系统，运营和维护更加方便。储罐承桩基设计主要考虑地震作用与储罐自重等因素，其中水平承载力主要受地震作用影响。根据LNG储罐设计规范EN14620-2006，储罐的抗震设计应基于动力学地震反应谱计算，根据现场的操作工况地震反应谱(OBE)和安全停运地震反应谱(SSE)进行地震校核。

　　2非隔震方案计算

　　20万方LNG储罐设计和建造在国内尚处于起步阶段，仅江苏LNG二期一座20万方LNG储罐(T-1204号罐)已建成投产，采用的是电伴热桩式地面基础。电伴热系统，控制较复杂、故障率高、维修不便，从后期使用方便的角度出发，江苏LNG接收站扩建工程新增的2座20万立方米LNG储罐，基础设计优化为高桩承台结构。

　　根据LNG储罐设计规范EN14620-2006，利用地震反应谱计算方法,结合江苏LNG工程场地地震反应谱参数值，计算得到了不同阻尼比的地震动反应谱及储罐单桩桩顶荷载。根据计算结果，相较于T-1204号罐，新建的20万方LNG储罐由于承台抬高了2米，竖向荷载和水平荷载均增加。根据桩顶约束转动下的桩土共同作用计算模型进行静力计算，得到了新建20万方LNG储罐地基处理所要达到的目标m值为20000KN/m4。

　　已建20万方LNG储罐(T-1204号罐)地面用碎石换填法进行的地基处理，换填深度2.3米。地基处理后的m值为13000KN/m4，小于20000KN/m4的要求，若采用与T-1204号罐相同的地基处理方案，桩基承载力不能满足要求。根据计算结果，新建LNG储罐垫层如果要达到m值大于20000KN/m4的要求，换填深度要达到3.5米以上，地基处理难度很大。即使更换为级配砂石换填方法进行地基处理，仍存在工程经验不足问题，换填深度需要现场试验确定，影响工期。

　　3隔震方案设计

　　3.1隔震原理

　　在桩基与LNG储罐罐底间加入隔震橡胶垫,形成隔震层,可延长储罐自振周期，避开场地的特征周期，避免形成共振，同时增加结构体系的阻尼，减小地震力向上部储罐的传递，达到降低储罐地震水平力的目的，并且使储罐在震中或震后具有自动复位能力。橡胶隔震垫是由橡胶片和薄钢板相互叠置，经高温加热并硫化制作而成，支座内部除了天然橡胶外，还添加了补强剂、填充剂和防老化剂。由于橡胶层和叠层钢板的紧密粘结，当橡胶垫承受垂直荷载时，由于橡胶层的横向变形受到约束，使得橡胶垫具有很大的竖向刚度和竖向承载能力。

　　3.2储罐隔震方案计算

　　LNG储罐在基底设置隔震时，将底板作为一个计算单元，混凝土罐壁和罐顶作为一个计算单元，液体和内罐罐壁作为一个计算单元，通过各自的动力特性建立弹簧单元连接，整体结构在水平地震作用下整体平动。

　　加入隔震垫后，由地震作用和自重作用进行荷载组合得到的单桩桩顶荷载(隔震数值列)。根据计算结果，若采用高承台隔震方案，最大地震水平作用力可减少71%。地震作用力大幅降低，对于地基处理的要求也相应下降。根据桩顶转动自由下的桩土共同作用计算模型进行静力计算，得到地基处理所要达到的目标m值为7000KN/m4，小于T-1204储罐地基处理后达到的m值13000KN/m4，级配砂石换填达到2.0m即可满足要求。

　　3.3桩基方案确定

　　根据隔震及非隔震设计方案研究结果，采用隔震橡胶垫能降低桩基施工难度，提高上部储罐安全性，且新增隔震垫的费用，与桩基设计优化后减少的费用基本相同，不会导致费用增加。扩建工程最终确定采用桩顶隔震的桩基设计方案。

　　橡胶支座产品包括天然橡胶支座、铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座、滑板支座、三维隔震支座等。由于LNG储罐的隔震橡胶垫为非定型产品，与常见的应用于桥梁、建筑上的橡胶支座不同，需要制造厂家根据设计要求进行定制并按技术要求进行型式试验，合格后才能进行量产。为了从国内厂家中选出符合LNG储罐用技术要求的橡胶垫产品，由业主和总包组成的考察组先后对多家潜在供货商进行了实地考察，根据考察结果，最终选择了高阻尼隔震橡胶支座作为LNG储罐桩基隔震支座。

　　4隔震垫应用效果分析

　　4.1工程应用效果分析

　　采用隔震方案后，减少桩基水平荷载71%，减少竖向荷载28%，提高储罐抗震性能。地基处理要求大大降低，垫层换填深度从3.5m降为2m厚度，降低了施工难度和费用。混凝土底板在热胀冷缩时受到桩基的约束减小，有效改善承台混凝土表面的温度裂纹。桩基施工可采用一次整体成型的施工工艺，节省桩基施工工期，降低钢筋用量15%。增加隔震垫后降低了桩径，混凝土用量节省14%。

　　相较于落地承台，储罐底板不再需要设置电伴热系统，节省了直接投资和后期维护成本。预应力混凝土外罐、Ni9钢内罐设计也相应进行了优化，如罐壁厚度从变截面改为等截面，取消了较难施工的内罐锚带及膨胀节结构，优化减小内罐壁板厚度等，节省了工期。桩顶隔震措施降低了液体在地震工况下对底板的作用效应，底板中部和外圈厚度优化降低。

　　4.2经济效益分析

　　单座LNG储罐隔震垫支座购置费1400万。采用隔震设计后，桩径降低，混凝土及钢筋费用减少1000万。与已建的20万方LNG储罐相比，节省了电伴热、锚固带及膨胀节的购置费约500万。9%Ni钢板用量降低节省费用约600万。外罐设计优化带来施工成本降低约800万。可见，虽然采用隔震方案增加了橡胶支座的购置费，但储罐抗震性能提高带来的一系列优化，仍使储罐建设投资降低了1500万。

　　工程论文投稿刊物：岩土力学是由中国科学院武汉岩土力学研究所主办的综合性岩土力学与工程学术期刊。设置栏目有：岩土力学、岩土工程、典型工程实录、测试技术与测试方法、综述、讨论、信息、学术与工程动态、学术讲座。

　　5总结

　　LNG储罐一般均建设在沿海地带，为松软地基，高承台加高阻尼隔震支座的桩基设计方案，从很大程度上降低了储罐的地震响应，降低桩基的施工难度，对提高储罐和桩基的抗震安全性具有十分重要的意义。结合采用橡胶隔震垫带来的一系列设计优化来看，其经济性也更好。综合而言，高阻尼隔震橡胶支座在江苏LNG接收站20万方LNG储罐的应用非常成功，也为后期的LNG储罐建设提供了重要参考和借鉴。

　　参考文献：

　　[1]李云鹏，王芝银.LNG储罐高低承台桩基础抗震性能对比分析[J].岩土力学，2010，11(31).

　　作者：张水红