超大容积储罐桩基础方案优化设计
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摘要：超大容积LNG储罐结构自重大，安全等级高，具有冷量逸散需求，通常采用高承台群桩基础。桩基础将上部结构荷载传递到地基中，对结构安全稳定具有重要意义。基于储罐结构特点和地震响应分析结果，建立结构力学分析模型，对比分析不同基础方案的安全稳定性和经济性。研究结果能够对超大容积LNG储罐桩基础方案设计提供有益的参考。
关键词：超大容积LNG储罐；群桩基础；地震响应
0引言
超大容积LNG储罐承台半径超过100m，面积超过7800m2，满载时总重超过20万吨。地震工况下储罐群桩基础需要承担巨大的水平和竖向荷载，作用至关重要。综合考虑工期、造价和结构安全，优化群桩基础方案，有助于提升整个超大容积LNG储罐的设计建造水平。群桩基础广泛应用于超大型建筑结构，相关研究十分成熟。宰金珉[1]对大桩距低承台摩擦群桩中的单桩取用其极限承载力，形成桩上共同作用并明确分担荷载的复合桩基，提出整体承载力和沉降量双重控制的设计方法。龚健等[2]对软土地基中的微型桩单桩及群桩进行了水平荷载试验，并对试验结果进行了分析，发现微型桩有较好的抵抗水平荷载的能力，尤其是斜桩基础能有效地减小水平荷载引起的位移，并应用p-y曲线法计算了单桩和群桩的水平位移，计算结果与实测值接近。刘金砾[3]通过不同土质中一系列大型群桩试验，揭示其在竖向荷载下群桩侧阻力、端阻力、承台土抗力的群桩效应及承载力群桩效应，据此对群桩基础概念设计的若干问题进行讨论。汤斌等[4]利用有限元方法，对竖向荷载作用下复合桩基的群桩效应进行了计算分析，讨论了桩长、桩距与桩径之比、桩数、土类等对群桩效应及群桩效应系数的影响。陈仁朋等[5]在饱和粉土地基中完成了单桩和群桩的水平循环加载试验，揭示了单桩和群桩响应随循环加载的变化规律。张乾青等[6]提出一种位于成层土中的单桩和群桩非线性受力性状的简化算法。陈清军等[7]采用Drucker-Prager理想弹塑性模型模拟地基土的非线性，同时在桩土接触面上设置接触单元模拟桩土间的接触非线性，建立了桩土桩相互作用及土桩结构相互作用体系的三维有限元分析模型，探讨了桩土间的非线性效应对群桩基础的运动相互作用及惯性相互作用问题的影响，分析了群桩的内力分布。王成华等[8]对基坑开挖影响下的群桩基础竖向承载性状进行了分析，讨论了桩顶反力分布、桩身轴力、桩侧摩阻力以及开挖引起的桩身水平位移及其弯矩的变化规律，并进行了考虑基坑开挖与不考虑基坑开挖的群桩基础竖向承载性状的对比分析。王俊杰等[9]以某超长群桩基础工程为例，用三维非线性有限元方法分析了超长单桩及群桩的工作性能。计算中桩、土和承台的=有限元模型均用8节点六面体等参单元，桩-土界面用有厚度的接触面单元模拟；混凝土的应力-应变关系用线弹性模型，土体用非线性Duncan-Chang弹性模型模拟；承台施工过程用分级加荷的方法模拟，承台混凝土的硬化过程用变化模量的方法模拟。张永亮等[10]研究桩基础在地基土及桩身进入非线性状态下的水平承载能力及变形特性，通过群桩基础缩尺比例模型，采用拟静力试验研究桩基础的破坏机制、承载能力、变形性能以及滞回特性。地震工况为超大容积LNG储罐群桩基础设计的控制工况，上部结构在地震作用下的作用于群桩基础巨大水平荷载，是群桩基础方案设计的决定因素。基于超大容积LNG储罐结构特点和地震响应分析结果，建立结构力学分析模型，考虑群桩效应，对比分析不同基础方案的安全稳定性和经济性，为超大容积LNG储罐群桩基础方案设计提供有益的建议。
1储罐群桩基础方案设计
桩基础通过承台把若干根桩的顶部联结成整体，共同承受动静荷载，能够穿越软弱的高压缩性土层或水，将桩所承受的荷载传递到更硬、更密实或压缩性较小的地基持力层上，是建筑结构常用的基础形式。结合冷量逸散的需求，超大容积LNG储罐通常选用高承台群桩基础。以某20万立方米的LNG储罐为例，其承台直径超过90m，选用高承台群桩基础，由环形分布的外圈桩和十字正交分布的中心桩两部分组成，桩间距为3倍桩径，储罐群桩基础布置示意图如图1所示。
2储罐地震响应结果
基于某27万立方米的LNG储罐项目开展地震响应分析，按操作基准地震(OBE)和安全停运地震(SSE)两水准地震动设计。其中OBE运行基准地震地面运动应是50年期内超越概率10%(重现期475年)的5%阻尼反应谱表示的地震动；SSE安全停运地震地面运动应是50年期内超越概率为2%(重现期2475年)的5%阻尼反应谱表示的地震动。根据设计规范和工程场地地震安评报告，本项目地震影响系数标准形式为：式中：T为结构自振周期(s)；αmax为地震影响系数最大值；Tg为特征周期(s)；α(T)为地震影响系数。考虑桩顶隔震垫的影响，建立有限元模型分析超大容积LNG储罐地震响应。隔震层的橡胶支座为非线性材料，采用时程分析方法计算隔震系数，计算时输入橡胶材料滞回曲线，隔震后的储罐各结构地震响应结果如表1所示。地震工况中，储罐结构各部分响应加速度最大时作用于桩基的荷载最大，根据表1结果可得OBE工况和SSE工况下群桩，分别在105%水平荷载加45%竖向荷载组合及45%水平荷载加105%竖向荷载的组合作用下基础所受荷载，分别如表2和表3所示，其中“满”和“空”分别代表储罐内罐满罐和空罐两种状态，“上”和“下”代表加速度方向，共计8个工况。
3储罐群桩基础方案优化分析
3.1桩数试算
根据规范要求，根据非地震和地震两种工况，计算得出不同桩径下的桩数，基于安全系数，经多次试算得到群桩基础方案如表4所示。
3.2群桩基础竖向力验算
由地震响应分析结果可知，SSE地震工况更加危险，为群桩基础方案设计的控制工况。根据规范要求，SSE工况下，需分别计算100%水平荷载加40%竖向荷载的组合和40%水平荷载加100%竖向荷载的组合作用下结构的承载能力。当最大竖向荷载/1.5<Ra时满足设计要求；当最小竖向荷载/1.5<0时说明有拔力。表5和表6分别为群桩布置方案1和方案2的单桩最大荷载计算结果，其中满和空分别代表储罐内罐满罐和空罐两种状态，上和下代表加速度方向，共计8个工况。群桩布置方案1中，1.2m直径的单桩竖向承载力为6000kN，单桩最大竖向力为2640kN，竖向承载力安全系数为2.31，初步计算中桩身不受拔力，竖向承载力结果满足要求。群桩布置方案2中，1.4m直径的单桩竖向承载力为8000kN，单桩最大竖向力为3758kN，竖向承载力安全系数为2.13，初步计算中桩身不受拔力，竖向承载力结果满足要求。
3.3群桩基础水平力验算
灌注桩单桩水平承载力特征值：300.75ahaxEIRαχν=取桩顶(承台)水平位移允许值χ0a=0.01(m)。桩的相互影响效应系数：()0.0150.450.150.11.9naihSnndννη+=++||群桩效应综合系数：hirη=ηη考虑隔震垫作用，ηr取1.59，得ηh=0.51。单桩水平荷载H1=H0/n(kN)，单桩水平承载力特征值Rah=ηhRha(kN)，地震工况下群桩基础收到的最大水平荷载H0=253687kN，则可得方案1中，H1=503kN<Rah=621kN，满足要求，安全系数为1.23；方案2中，H1=686kN<Rah=889kN，满足要求，安全系数为1.30。
3.4群桩基础方案对比分析
两种群桩基础方案参数对比如表7所示。表7中两种桩径方案的混凝土用量基本一致，在此基础上通过桩数、水平安全系数、竖向安全系数等因素的综合比选确定最终方案：(1)直径1.2m的灌注桩，桩数较多，达到504根，竖向安全系数大于1.4m桩径的方案，但根据试桩情况来看，两种方案的竖向承载力均有较大余量，因此竖向安全系数将不作为主要判定依据。(2)在混凝土工程量基本一致的情况下1.4m桩径方案的水平安全系数大于1.2m桩径的方案，本桩基方案的主要控制因素为水平承载力。(3)直径1.2m的灌注桩，桩数较多，桩基施工周期长，钢筋用量大，桩基检测数量多，将增加额外成本。根据以上分析，经综合考虑，推荐桩基方案为1.4m灌注桩，数量370根，桩长65m。
4结语
(1)超大容积储罐结构在地震工况下作用于群桩基础巨大的水平荷载，是群桩基础设计的控制因素。(2)超大容积储罐群桩基础采用外圈桩和中心桩组合的布置方案，其中外圈桩环形布置，中心桩十字正交布置，桩间距3倍桩径。外圈桩重要承载储罐外墙和穹顶荷载，中心桩主要承载内罐和LNG荷载。(3)综合考虑安全系数、工期、造价等因素，本文案例推荐桩基方案为1.4m灌注桩，数量370根，桩长65m。
作者:赵铭睿 肖立 刘洋 张博超 单位:中海石油气电集团有限责任公司
