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摘要：超大容積LNG儲罐結構自重大，安全等級高，具有冷量逸散需求，通常采用高承臺群樁基礎。樁基礎將上部結構荷載傳遞到地基中，對結構安全穩(wěn)定具有重要意義。基于儲罐結構特點和地震響應分析結果，建立結構力學分析模型，對比分析不同基礎方案的安全穩(wěn)定性和經濟性。研究結果能夠對超大容積LNG儲罐樁基礎方案設計提供有益的參考。

關鍵詞：超大容積LNG儲罐；群樁基礎；地震響應

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需要承擔巨大的水平和豎向荷載，作用至關重要。綜合考慮工期、造價和結構安全，優(yōu)化群樁基礎方案，有助于提升整個超大容積LNG儲罐的設計建造水平。群樁基礎廣泛應用于超大型建筑結構，相關研究十分成熟。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荷載的復合樁基，提出整體承載力和沉降量雙重控制的設計方法。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，并對試驗結果進行了分析，發(fā)現微型樁有較好的抵抗水平荷載的能力，尤其是斜樁基礎能有效地減小水平荷載引起的位移，并應用p-y曲線法計算了單樁和群樁的水平位移，計算結果與實測值接近。劉金礫[3]通過不同土質中一系列大型群樁試驗，揭示其在豎向荷載下群樁側阻力、端阻力、承臺土抗力的群樁效應及承載力群樁效應，據此對群樁基礎概念設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合樁基的群樁效應進行了計算分析，討論了樁長、樁距與樁徑之比、樁數、土類等對群樁效應及群樁效應系數的影響。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構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對群樁基礎的運動相互作用及慣性相互作用問題的影響，分析了群樁的內力分布。王成華等[8]對基坑開挖影響下的群樁基礎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豎向承載性狀的對比分析。王俊杰等[9]以某超長群樁基礎工程為例，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；混凝土的應力-應變關系用線彈性模型，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，通過群樁基礎縮尺比例模型，采用擬靜力試驗研究樁基礎的破壞機制、承載能力、變形性能以及滯回特性。地震工況為超大容積LNG儲罐群樁基礎設計的控制工況，上部結構在地震作用下的作用于群樁基礎巨大水平荷載，是群樁基礎方案設計的決定因素。基于超大容積LNG儲罐結構特點和地震響應分析結果，建立結構力學分析模型，考慮群樁效應，對比分析不同基礎方案的安全穩(wěn)定性和經濟性，為超大容積LNG儲罐群樁基礎方案設計提供有益的建議。

1儲罐群樁基礎方案設計

樁基礎通過承臺把若干根樁的頂部聯結成整體，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，是建筑結構常用的基礎形式。結合冷量逸散的需求，超大容積LNG儲罐通常選用高承臺群樁基礎。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，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，儲罐群樁基礎布置示意圖如圖1所示。

2儲罐地震響應結果

基于某27萬立方米的LNG儲罐項目開展地震響應分析，按操作基準地震(OBE)和安全停運地震(SSE)兩水準地震動設計。其中OBE運行基準地震地面運動應是50年期內超越概率10%(重現期475年)的5%阻尼反應譜表示的地震動；SSE安全停運地震地面運動應是50年期內超越概率為2%(重現期2475年)的5%阻尼反應譜表示的地震動。根據設計規(guī)范和工程場地地震安評報告，本項目地震影響系數標準形式為：式中：T為結構自振周期(s)；αmax為地震影響系數最大值；Tg為特征周期(s)；α(T)為地震影響系數。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。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，計算時輸入橡膠材料滯回曲線，隔震后的儲罐各結構地震響應結果如表1所示。地震工況中，儲罐結構各部分響應加速度最大時作用于樁基的荷載最大，根據表1結果可得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儲罐群樁基礎方案優(yōu)化分析

3.1樁數試算

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

3.2群樁基礎豎向力驗算

由地震響應分析結果可知，SSE地震工況更加危險，為群樁基礎方案設計的控制工況。根據規(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構的承載能力。當最大豎向荷載/1.5<Ra時滿足設計要求；當最小豎向荷載/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果，其中滿和空分別代表儲罐內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為2.31，初步計算中樁身不受拔力，豎向承載力結果滿足要求。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為2.13，初步計算中樁身不受拔力，豎向承載力結果滿足要求。

3.3群樁基礎水平力驗算

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)。樁的相互影響效應系數：()0.0150.450.150.11.9naihSnndννη+=++||群樁效應綜合系數：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，安全系數為1.23；方案2中，H1=686kN<Rah=889kN，滿足要求，安全系數為1.30。

3.4群樁基礎方案對比分析

兩種群樁基礎方案參數對比如表7所示。表7中兩種樁徑方案的混凝土用量基本一致，在此基礎上通過樁數、水平安全系數、豎向安全系數等因素的綜合比選確定最終方案：(1)直徑1.2m的灌注樁，樁數較多，達到504根，豎向安全系數大于1.4m樁徑的方案，但根據試樁情況來看，兩種方案的豎向承載力均有較大余量，因此豎向安全系數將不作為主要判定依據。(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，樁數較多，樁基施工周期長，鋼筋用量大，樁基檢測數量多，將增加額外成本。根據以上分析，經綜合考慮，推薦樁基方案為1.4m灌注樁，數量370根，樁長65m。

4結語

(1)超大容積儲罐結構在地震工況下作用于群樁基礎巨大的水平荷載，是群樁基礎設計的控制因素。(2)超大容積儲罐群樁基礎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，中心樁主要承載內罐和LNG荷載。(3)綜合考慮安全系數、工期、造價等因素，本文案例推薦樁基方案為1.4m灌注樁，數量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任公司