基于GB50068-2018标准的全容式LNG储罐基桩设计

贾桂敬 甄 军

中海油石化工程有限公司 济南 250101

对于全容式大型LNG储罐的结构设计，其作用标准值及分项系数的取值、作用效应组合的合理性以及目标设计采用的结构分析方法的不同将直接决定储罐结构的可靠度与经济性。《建筑结构可靠性设计统一标准》[1]GB50068-2018规定了不同设计状况应进行的极限状态设计及作用组合，是我国建筑结构设计标准体系的顶层标准，是大型LNG全容式储罐(下称储罐)结构设计的基础性标准。该标准已于2019年4月1日正式颁布实施，但储罐设计标准GB51156等相关标准却没有同步修编，为工况复杂的LNG储罐结构设计带来了困难，特别是储罐各工况作用的分项系数的取值缺少标准依据。因此，满足GB50068目标可靠指标的LNG储罐结构设计方法的研究就显得尤为迫切和重要。

基于GB50068标准的设计思想，大型全容式LNG储罐桩基础设计应进行持久、短暂、偶然、地震四种设计状况的极限状态设计，应对桩承台、基桩的不同极限状态分别进行计算或验算。实现上述设计目标的关键是基于GB50068标准准则进行工况分析，设计状况的划分，作用标准值的确定，作用分项系数的取值(特别是具有限值特征的作用分项系数取值)，作用效应组合。

大型全容式LNG储罐的结构设计遇到的工况较多，每一工况的作用工况又有多种，作用效应的组合逻辑也较复杂。针对这些复杂问题，本文以储罐桩基础可靠性设计为核心，提供清晰的结构分析、设计思路和方法。

1 储罐结构设计标准应用现状分析

对结构设计状况的定义划分，GB50068与欧标《结构设计基础》EN1990:2002[2]给出了相同的划分原则，但储罐设计标准EN14620[3]、GB/T26978却未给出原则性要求。这就导致了储罐结构承载能力极限状态(ULS)设计、正常使用极限状态(SLS)设计的作用效应组合缺失原则性依据。

对于极限状态设计应区分不同的设计状况，GB50068、EN1990均有明确规定，给出了两类极限状态设计作用组合的原则和公式，为下游标准规定了准则和大纲。但工程设计界和标准编制者却对该标准没有引起足够的重视。经梳理发现，与储罐设计相关的技术标准大多未清晰执行GB50068关于“设计状况”的相关要求，因此造成了目前储罐设计在技术标准上的不协调。

储罐设计的难点在于其结构分析缺乏技术层面的规范性支撑，但在结构分析之后的储罐结构设计方面，我国的工程标准体系是比较完整的，几乎涵盖了储罐结构设计每一细节的技术需求。过度依赖国外标准进行储罐结构设计，既不符合国家建筑工程法规要求，又限制了储罐设计的标准化、国产化，也为工程检验和验收增加了很大的不便。

2 储罐结构设计误区分析

2.1 储罐结构设计在执行标准方面存在的误区

(1)忽视标准应用的系统性，越过GB50068标准的基本设计准则，片面引用国外标准。主要表现为作用属性的取值在不同标准体系中随意选取，作用效应组合违背GB50068的基本原则。

(2)“作用效用的计算、组合及构件截面配筋”交叉执行中外不同背景的抗震设计标准。这样，设计项分别选用不同体系的标准,有可能发生偏离GB50068目标可靠指标的设计风险。

2.2 储罐结构设计存在的误区

目前未见紧扣GB50068标准进行储罐结构设计的相关文献。一些文献和储罐工程设计，对于实现SSE水准的抗震设防目标仅仅采用了基于反应谱的弹性模型设计方法；个别储罐的结构设计甚至越过OBE直接采用SSE设防水准进行储罐结构构件的抗震设计，简单粗糙的设计方法造成了工程的极大浪费并存在安全隐患。

2.3 LNG储罐结构设计超限审查

高承台桩储罐属于竖向不规则的大型构筑物，结构可靠度水准要求较高，同时由于储罐的穹顶钢筋混凝土薄壳跨度大于60m，根据国家建筑行业管理法规《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质[2015年]67号)规定，LNG储罐应进行抗震设防专项审查，目前未见被审查的项目案例。

3 储罐结构抗震设防目标分析

GB51156第7.3.6条规定了OBE和SSE储罐的结构分析方法，并以此作为储罐结构实现抗震设防目标的基本原则。然而在储罐基桩设计上，目前个别文献在实现SSE水准的设防目标的研究方法上存在误区：选用SSE水准下的地震动参数，却用地震反应谱法计算地震作用，再以ANSYS软件的弹性模型进行地震分析，并以此作用效应进行桩体设计。某些工程的LNG储罐的结构设计也采用了同样的做法。笔者认为，以SSE水准去实现OBE的抗震设防目标的研究设计方法存在储罐抗震设防水准与对应的设防目标错配的错误，也是极端浪费的设计方法。储罐抗震设防水准错配抗震设防目标，采用罕遇地震水准的地震作用效应进行结构构件设计(承载力设计、抗裂设计、裂缝宽度控制、构件变形控制等)，违背了中外抗震设计标准的基本原则。

将储罐OBE和SSE两种地震的设防水准和设防目标与《建筑抗震设计规范》GB50011-2010[6](下称抗规10)、Eurocode 8的设防水准和设防目标进行对照分析，笔者认为：OBE的抗震设防目标标准较高，目标的实现应按中震弹性要求进行设计；SSE的抗震设防目标标准相对较低，目标的实现应按抗规10的罕遇地震要求进行设计。

4 储罐结构上的作用及其属性分析

4.1 确定作用代表值属性的步骤

作用代表值是指作用的标准值、组合值、频遇值、准永久组合值；作用代表值属性是指作用标准值系数、组合值系数、频遇值系数、准永久组合值系数，又称荷载系数。

储罐结构分析前应进行施工安装、检修、压力试验、运行操作、地震、偶然事件等工况分析，确定每一工况可能发生的作用工况，根据工艺生产情况，分析比对各种作用的概率分布，确定作用属性，步骤如下：

(1)按照EN14620及《液化天然气接收站工程设计规范》GB51156-2015[5]的要求确定储罐各工况的作用。

(2)按照GB50068给出的原则将各种作用划分为不同的设计状况。

(3)根据《石油化工建(构)筑物结构荷载规范》GB 51006-2014[4]确定常见作用代表值的属性。

4.2 确定作用属性的原则

(1)具有概率统计特征作用的标准值，其作用属性取相关标准的规定值。

(2)作用分项系数根据作用的概率分布和统计参数及规定的可靠指标通过计算分析并结合工程经验经优化确定，作用(包括永久作用、可变作用等)分项系数取值越高，相应的结构可靠度设置水平也就越高。

4.3 具有限值特性作用的分项系数取值

不可能被超越或可控制其极限值的作用属于有界作用，储罐结构的许多作用工况具有该特点，例如储罐储液的最高液位重量，水压试验的极限水位水重等均属于有界作用。此最高液位重量即该工况作用的标准值，其超越概率已趋近于零。因此，根据实际的操作工况，以可变作用的上限值为标准值时，其作用分项系数可取值1.0；组合值系数、频遇值系数、准永久值系数均可取值1.0。

将基于GB50068标准储罐结构各工况的作用及其属性的分析结果进行整理，见表1。

表1 储罐结构作用及属性

5 以基桩设计为目标的储罐整体结构分析

5.1 储罐结构分析的基本原则

(1)以GB50068的概率极限状态设计要求为准则，以作用分项系数的取值满足目标可靠指标要求为目标，储罐结构分析执行GB51156的原则和规定。

(2)不同的设计目标采用不同的结构分析简化模型，如穹顶结构与桩基础可分别采用不同的结构分析模型。

(3)不同水准的抗震设防目标采用不同的结构分析方法。

5.2 储罐结构工况分析

储罐的工况分为安装工况、压力试验工况、操作工况，工况分析是储罐结构分析的关键性环节，应将可变作用工况按照GB50068给出的原则分门别类，划分到不同的设计状况中，作用属性见表1。

5.3 OBE结构分析

基桩地震作用分析采用内罐储液附加质量和基桩弹性嵌固模型，该模型既能有效模拟内罐液体的动力效应，又能考虑桩土相互作用，满足桩基础基桩设计精度要求。

根据50年超越概率10%地震水准的地震动参数，采用地震反应谱法进行中震弹性设计；采用动力弹性时程分析进行补充分析。取两者的最大作用效应进行地震组合，进行构件承载力设计和储罐整体位移控制，满足规范相关限值要求。

5.4 SSE结构分析

SSE作用效应的计算应超越反应谱的约束，以OBE抗震设计的配筋结果，根据50年超越概率2%的地震水准的地震动参数，采用基于性能的抗震设计方法，进行动力弹塑性时程分析[8]，同时考虑材料非线性和几何非线性。基于此种分析方法才能发现储罐遭受破坏的危险部位，预判储罐构件塑性变形以及损伤情况，判断结构的屈服机制、薄弱环节等。

5.5 其他工况的结构分析

短暂设计状况的作用工况及热效工况应均采用静力弹性模型进行结构分析，获得基桩设计单工况作用效应。

5.6 桩周地基土力学分析

SSE应考虑桩周地基土的塑性变形，其余工况采用桩土线弹性模型。

6 储罐桩基础基桩设计作用及其组合

6.1 储罐基桩设计结构上的作用

储罐桩基础的基桩设计应考虑包括持久、短暂、偶然、OBE、SSE五种设计状况的作用工况，详见表2。根据工程经验，短暂设计状况的罐顶安装、罐顶检修、穹顶钢结构气体升顶、罐顶砼施工气体保压、外罐气压正压试验、外罐气压负压试验对基础的影响均可以忽略，因此基桩设计时不考虑其效应组合。

6.2 效应组合原则

基于GB50068标准的储罐桩基础基桩设计作用及其组合见表2，并遵守以下原则：

(1)储罐基桩设计按照GB50068给出的组合公式及表2给出的组合原则进行作用效用组合；不同的设计状况分别进行组合并注意各类作用的时空关系；区分在EN14620中没有区分开来的偶然组合和SSE地震组合。

(2)基桩OBE的ULS设计，其作用效应计算采用线性分析模型，对单一作用逐一分析，采用作用效应的地震组合并考虑作用效用调整，按式(1)组合和验算；OBE的SLS抗震变形计算为地震单工况作用效应，不存在作用效应组合问题。

η(γGSGE+γESEk)≤R/γRE

(1)

式中,η为作用效应标准值调整系数，详见抗规10给出的规则。

(3)SSE水准的抗震设计，其作用分析为非线性分析，先进行作用组合再进行结构分析，按式(2)进行组合和验算。

SGE+SEk

(2)

式中，Ru为基桩承载力极限值；其余符号说明详见抗规10。

6.3 效应组合注意事项

(1)“OBE+泄漏”组合不符合OBE的抗震设防目标要求，因此储罐设计不应考虑该组合。

(2)空罐为安装或检修阶段的状态，属短暂设计状况，因此空罐工况不与地震工况组合，这与EN14620的观点有所不同。

7 储罐桩基础基桩设计

7.1 桩基础基桩设计项目[7]

7.1.1 ULS设计

基桩ULS设计根据表2给出的不同设计状况分别进行效应组合。根据工程经验，短暂设计状况除水压试验外其余可变作用在桩基础设计中不起控制作用，因此，基桩设计不考虑短暂设计状况的其它作用效应；其余设计状况均应进行基桩ULS设计，设计项如下：①单桩竖向及水平向承载力特征值计算；②群桩基础基桩竖向及水平承载力特征值计算；③群桩基础基桩竖向及水平承载力验算；④基桩桩身配筋设计或验算。

表2 基桩设计应考虑的作用及组合原则

7.1.2 SLS设计

基桩SLS设计只考虑持久设计状况，根据表2持久设计状况的作用进行SLS设计；其余设计状况均无须SLS设计。设计项如下：①基桩水平位移验算；②桩身裂缝计算；③群桩基础沉降计算。

7.2 桩基SSE抗震设计解读

GB51156规定的SSE抗震设计并非构件层面的配筋、挠度和裂缝设计，而是指整体结构变形、薄弱层及构件损伤的检验设计，主要用来验证OBE抗震设计结果是否满足SSE设防目标，这是SSE设计的真正寓意所在，一些文献和项目在此存在错误的理解。

7.3 尚需研究的问题

(1)GB51156规定了SSE工况下桩的水平承载力限值可取其水平极限承载力，但没有说明是弹性分析作用效应还是弹塑性分析作用效应，两种分析方法桩的地震响应差异较大。

(2)针对储罐OBE、SSE工况的地震整体位移控制要求。

(3)储罐抗震性能化设计。

(4)储罐结构动力弹塑性时程分析。

8 结语

本文对LNG储罐结构设计依据的标准、设计现状及抗震设计目标进行了分析，提出了以GB50068为准则的储罐桩基础基桩设计方法：

(1)确定桩基础设计的设计状况。

(2)分析确定桩基础进行ULS、SLS设计的设计状况。

(3)确定基桩设计的作用工况并基于结构的目标可靠指标进行属性分析。

(4)根据本文给出的原则和方法确定基桩ULS、SLS设计项作用效应组合。

(5)以OBE水准进行储罐结构中震弹性分析，以此进行地震组合及基桩ULS设计。

(6)采用动力弹塑性时程分析法进行储罐结构SSE分析及储罐结构综合评估。

(7)以各设计状况作用效应的基本组合进行基桩配筋设计。

(8)以持久设计状况作用效应的标准组合、准永久组合分别计算基桩水平位移、裂缝和沉降。

以GB50068为准则的LNG储罐结构设计，将获得较好的质量和经济效果，期望本文对LNG储罐结构设计有一定的参考价值。