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摘要：超大容積LNG儲罐結(jié)構(gòu)自重大，安全等級高，具有冷量逸散需求，通常采用高承臺群樁基礎(chǔ)。樁基礎(chǔ)將上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞到地基中，對結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定具有重要意義?；趦藿Y(jié)構(gòu)特點和地震響應(yīng)分析結(jié)果，建立結(jié)構(gòu)力學(xué)分析模型，對比分析不同基礎(chǔ)方案的安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。研究結(jié)果能夠?qū)Τ笕莘eLNG儲罐樁基礎(chǔ)方案設(shè)計提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：超大容積LNG儲罐；群樁基礎(chǔ)；地震響應(yīng)

0引言

超大容積LNG儲罐承臺半徑超過100m，面積超過7800m2，滿載時總重超過20萬噸。地震工況下儲罐群樁基礎(chǔ)需要承擔(dān)巨大的水平和豎向荷載，作用至關(guān)重要。綜合考慮工期、造價和結(jié)構(gòu)安全，優(yōu)化群樁基礎(chǔ)方案，有助于提升整個超大容積LNG儲罐的設(shè)計建造水平。群樁基礎(chǔ)廣泛應(yīng)用于超大型建筑結(jié)構(gòu)，相關(guān)研究十分成熟。宰金珉[1]對大樁距低承臺摩擦群樁中的單樁取用其極限承載力，形成樁上共同作用并明確分擔(dān)荷載的復(fù)合樁基，提出整體承載力和沉降量雙重控制的設(shè)計方法。龔健等[2]對軟土地基中的微型樁單樁及群樁進行了水平荷載試驗，并對試驗結(jié)果進行了分析，發(fā)現(xiàn)微型樁有較好的抵抗水平荷載的能力，尤其是斜樁基礎(chǔ)能有效地減小水平荷載引起的位移，并應(yīng)用p-y曲線法計算了單樁和群樁的水平位移，計算結(jié)果與實測值接近。劉金礫[3]通過不同土質(zhì)中一系列大型群樁試驗，揭示其在豎向荷載下群樁側(cè)阻力、端阻力、承臺土抗力的群樁效應(yīng)及承載力群樁效應(yīng)，據(jù)此對群樁基礎(chǔ)概念設(shè)計的若干問題進行討論。湯斌等[4]利用有限元方法，對豎向荷載作用下復(fù)合樁基的群樁效應(yīng)進行了計算分析，討論了樁長、樁距與樁徑之比、樁數(shù)、土類等對群樁效應(yīng)及群樁效應(yīng)系數(shù)的影響。陳仁朋等[5]在飽和粉土地基中完成了單樁和群樁的水平循環(huán)加載試驗，揭示了單樁和群樁響應(yīng)隨循環(huán)加載的變化規(guī)律。張乾青等[6]提出一種位于成層土中的單樁和群樁非線性受力性狀的簡化算法。陳清軍等[7]采用Drucker-Prager理想彈塑性模型模擬地基土的非線性，同時在樁土接觸面上設(shè)置接觸單元模擬樁土間的接觸非線性，建立了樁土樁相互作用及土樁結(jié)構(gòu)相互作用體系的三維有限元分析模型，探討了樁土間的非線性效應(yīng)對群樁基礎(chǔ)的運動相互作用及慣性相互作用問題的影響，分析了群樁的內(nèi)力分布。王成華等[8]對基坑開挖影響下的群樁基礎(chǔ)豎向承載性狀進行了分析，討論了樁頂反力分布、樁身軸力、樁側(cè)摩阻力以及開挖引起的樁身水平位移及其彎矩的變化規(guī)律，并進行了考慮基坑開挖與不考慮基坑開挖的群樁基礎(chǔ)豎向承載性狀的對比分析。王俊杰等[9]以某超長群樁基礎(chǔ)工程為例，用三維非線性有限元方法分析了超長單樁及群樁的工作性能。計算中樁、土和承臺的=有限元模型均用8節(jié)點六面體等參單元，樁-土界面用有厚度的接觸面單元模擬；混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系用線彈性模型，土體用非線性Duncan-Chang彈性模型模擬；承臺施工過程用分級加荷的方法模擬，承臺混凝土的硬化過程用變化模量的方法模擬。張永亮等[10]研究樁基礎(chǔ)在地基土及樁身進入非線性狀態(tài)下的水平承載能力及變形特性，通過群樁基礎(chǔ)縮尺比例模型，采用擬靜力試驗研究樁基礎(chǔ)的破壞機制、承載能力、變形性能以及滯回特性。地震工況為超大容積LNG儲罐群樁基礎(chǔ)設(shè)計的控制工況，上部結(jié)構(gòu)在地震作用下的作用于群樁基礎(chǔ)巨大水平荷載，是群樁基礎(chǔ)方案設(shè)計的決定因素?；诔笕莘eLNG儲罐結(jié)構(gòu)特點和地震響應(yīng)分析結(jié)果，建立結(jié)構(gòu)力學(xué)分析模型，考慮群樁效應(yīng)，對比分析不同基礎(chǔ)方案的安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，為超大容積LNG儲罐群樁基礎(chǔ)方案設(shè)計提供有益的建議。

1儲罐群樁基礎(chǔ)方案設(shè)計

樁基礎(chǔ)通過承臺把若干根樁的頂部聯(lián)結(jié)成整體，共同承受動靜荷載，能夠穿越軟弱的高壓縮性土層或水，將樁所承受的荷載傳遞到更硬、更密實或壓縮性較小的地基持力層上，是建筑結(jié)構(gòu)常用的基礎(chǔ)形式。結(jié)合冷量逸散的需求，超大容積LNG儲罐通常選用高承臺群樁基礎(chǔ)。以某20萬立方米的LNG儲罐為例，其承臺直徑超過90m，選用高承臺群樁基礎(chǔ)，由環(huán)形分布的外圈樁和十字正交分布的中心樁兩部分組成，樁間距為3倍樁徑，儲罐群樁基礎(chǔ)布置示意圖如圖1所示。

2儲罐地震響應(yīng)結(jié)果

基于某27萬立方米的LNG儲罐項目開展地震響應(yīng)分析，按操作基準(zhǔn)地震(OBE)和安全停運地震(SSE)兩水準(zhǔn)地震動設(shè)計。其中OBE運行基準(zhǔn)地震地面運動應(yīng)是50年期內(nèi)超越概率10%(重現(xiàn)期475年)的5%阻尼反應(yīng)譜表示的地震動；SSE安全停運地震地面運動應(yīng)是50年期內(nèi)超越概率為2%(重現(xiàn)期2475年)的5%阻尼反應(yīng)譜表示的地震動。根據(jù)設(shè)計規(guī)范和工程場地地震安評報告，本項目地震影響系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)形式為：式中：T為結(jié)構(gòu)自振周期(s)；αmax為地震影響系數(shù)最大值；Tg為特征周期(s)；α(T)為地震影響系數(shù)。考慮樁頂隔震墊的影響，建立有限元模型分析超大容積LNG儲罐地震響應(yīng)。隔震層的橡膠支座為非線性材料，采用時程分析方法計算隔震系數(shù)，計算時輸入橡膠材料滯回曲線，隔震后的儲罐各結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)結(jié)果如表1所示。地震工況中，儲罐結(jié)構(gòu)各部分響應(yīng)加速度最大時作用于樁基的荷載最大，根據(jù)表1結(jié)果可得OBE工況和SSE工況下群樁，分別在105%水平荷載加45%豎向荷載組合及45%水平荷載加105%豎向荷載的組合作用下基礎(chǔ)所受荷載，分別如表2和表3所示，其中“滿”和“空”分別代表儲罐內(nèi)罐滿罐和空罐兩種狀態(tài)，“上”和“下”代表加速度方向，共計8個工況。

3儲罐群樁基礎(chǔ)方案優(yōu)化分析

3.1樁數(shù)試算

根據(jù)規(guī)范要求，根據(jù)非地震和地震兩種工況，計算得出不同樁徑下的樁數(shù)，基于安全系數(shù)，經(jīng)多次試算得到群樁基礎(chǔ)方案如表4所示。

3.2群樁基礎(chǔ)豎向力驗算

由地震響應(yīng)分析結(jié)果可知，SSE地震工況更加危險，為群樁基礎(chǔ)方案設(shè)計的控制工況。根據(jù)規(guī)范要求，SSE工況下，需分別計算100%水平荷載加40%豎向荷載的組合和40%水平荷載加100%豎向荷載的組合作用下結(jié)構(gòu)的承載能力。當(dāng)最大豎向荷載/1.5<Ra時滿足設(shè)計要求；當(dāng)最小豎向荷載/1.5<0時說明有拔力。表5和表6分別為群樁布置方案1和方案2的單樁最大荷載計算結(jié)果，其中滿和空分別代表儲罐內(nèi)罐滿罐和空罐兩種狀態(tài)，上和下代表加速度方向，共計8個工況。群樁布置方案1中，1.2m直徑的單樁豎向承載力為6000kN，單樁最大豎向力為2640kN，豎向承載力安全系數(shù)為2.31，初步計算中樁身不受拔力，豎向承載力結(jié)果滿足要求。群樁布置方案2中，1.4m直徑的單樁豎向承載力為8000kN，單樁最大豎向力為3758kN，豎向承載力安全系數(shù)為2.13，初步計算中樁身不受拔力，豎向承載力結(jié)果滿足要求。

3.3群樁基礎(chǔ)水平力驗算

灌注樁單樁水平承載力特征值：300.75ahaxEIRαχν=取樁頂(承臺)水平位移允許值χ0a=0.01(m)。樁的相互影響效應(yīng)系數(shù)：()0.0150.450.150.11.9naihSnndννη+=++||群樁效應(yīng)綜合系數(shù)：hirη=ηη考慮隔震墊作用，ηr取1.59，得ηh=0.51。單樁水平荷載H1=H0/n(kN)，單樁水平承載力特征值Rah=ηhRha(kN)，地震工況下群樁基礎(chǔ)收到的最大水平荷載H0=253687kN，則可得方案1中，H1=503kN<Rah=621kN，滿足要求，安全系數(shù)為1.23；方案2中，H1=686kN<Rah=889kN，滿足要求，安全系數(shù)為1.30。

3.4群樁基礎(chǔ)方案對比分析

兩種群樁基礎(chǔ)方案參數(shù)對比如表7所示。表7中兩種樁徑方案的混凝土用量基本一致，在此基礎(chǔ)上通過樁數(shù)、水平安全系數(shù)、豎向安全系數(shù)等因素的綜合比選確定最終方案：(1)直徑1.2m的灌注樁，樁數(shù)較多，達到504根，豎向安全系數(shù)大于1.4m樁徑的方案，但根據(jù)試樁情況來看，兩種方案的豎向承載力均有較大余量，因此豎向安全系數(shù)將不作為主要判定依據(jù)。(2)在混凝土工程量基本一致的情況下1.4m樁徑方案的水平安全系數(shù)大于1.2m樁徑的方案，本樁基方案的主要控制因素為水平承載力。(3)直徑1.2m的灌注樁，樁數(shù)較多，樁基施工周期長，鋼筋用量大，樁基檢測數(shù)量多，將增加額外成本。根據(jù)以上分析，經(jīng)綜合考慮，推薦樁基方案為1.4m灌注樁，數(shù)量370根，樁長65m。

4結(jié)語

(1)超大容積儲罐結(jié)構(gòu)在地震工況下作用于群樁基礎(chǔ)巨大的水平荷載，是群樁基礎(chǔ)設(shè)計的控制因素。(2)超大容積儲罐群樁基礎(chǔ)采用外圈樁和中心樁組合的布置方案，其中外圈樁環(huán)形布置，中心樁十字正交布置，樁間距3倍樁徑。外圈樁重要承載儲罐外墻和穹頂荷載，中心樁主要承載內(nèi)罐和LNG荷載。(3)綜合考慮安全系數(shù)、工期、造價等因素，本文案例推薦樁基方案為1.4m灌注樁，數(shù)量370根，樁長65m。

作者:趙銘睿 肖立 劉洋 張博超 單位:中海石油氣電集團有限責(zé)任公司