液化天然气接收站结构设计及问题解析_邓彬.pdf

2023 年 第 5 期 化学工程与装备 2023 年 5 月 Chemical Engineering&Equipment 55 液化天然气接收站结构设计及问题解析 液化天然气接收站结构设计及问题解析 邓 彬，宋广然，杨玮宸，王江伟（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）摘 要：摘 要：目前国内液化天然气（LNG）接收站项目以成熟先进的设计能力为基础，依托成熟高效的项目管理机制得以迅速发展。在 LNG 接收站设计中，各功能单体建构筑物的结构设计更是成为项目的重要环节。LNG 接收站结构体系多样，受力分析复杂，在结构设计乃至施工阶段，都会不断遇到各种问题，如何能尽早发现、分析并有效解决问题成为项目稳步推进的关键因素。本文结合作者参与的项目，总结在结构设计中遇到的部分问题以及解析。关键词：关键词：LNG 接收站；结构设计；分析解决 引 言 引 言 在液化天然气（LNG）接收站工程中，建构筑物结构体从方案、设计分析、施工图乃至施工阶段，由于上游方案调整、规范标准更新、业主需求改变等多方因素，会引发各式各样结构方案调整问题。例如方案阶段，上游主专业工艺、管道及建筑要求，需要取消部分主要方向结构构件。此时结构专业在方案阶段就要及时介入，在保证结构方案符合规范要求的前提下，尽可能地满足上游专业要求。但不能盲目遵从，如果有超规范要求情况发生，必须及时进行方案审查，对上游专业方案提出修改建议，以确保结构安全性。在设计分析阶段同样存在业主的需求调整，例如增加功能要求等问题。如因业主需求改变，但在结构方案无法完全满足规范要求（尤其是违背建筑抗震规范情况较为明显），打规范擦边球设计等情况时有发生。虽然在正常的操作工况下，结构安全度可以保证，一旦发生地震、爆炸等非预见性工况，可能导致结构的严重破坏，对整个项目带来不可估量的损失，设计人员也会承担相应的设计责任。在施工阶段问题是较容易发现和解决，从设计的原理和流程来看，设计、施工是一个整体，如果仅仅考虑理论设计，而实际施工无法完成或者需付出较大成本方能实现，那么设计也是存在问题。例如钢筋间距过密导致混凝土浇筑、振捣困难等问题。在设计中需提前考虑施工等多方面因素，在可控范围内进行局部设计调整，利于项目推动。本文以作者参与某 LNG 接收站项目为例，对各阶段易发生的问题进行分析并提出对应解决方案，为类似项目建构筑结构设计提供参考。1 方案阶段出现的问题及解决方式 1 方案阶段出现的问题及解决方式 1.1 上游建筑方案不满足抗震规范要求 本项目罐区仪表间，按其使用功能要求，结合 抗震设防分类标准 第 7.2.4 条，本单体抗震设防分类为乙类，方案阶段上游专业提出房屋内需视野开阔以实现大空间。综合以上要求本结构体中间区域不设框架柱，按照单榀大跨度框架结构体系进行设计，通过结构分析计算，此方案结构承载力、正常使用状态要求均满足规范强制性标准。依据抗规 第 6.1.5 条：“甲、乙类建筑不应采用单榀框架结构形式，以避免地震工况发生时，房屋缺少防止连续倒塌的抗震措施”。此标准属抗震规范强条不得违背，即便结构强度计算通过，在概念设计上也不得有任何违反规范强条的情况出现。经各专业讨论确定调整建筑面积，结构体中心增设一个框架柱，各边跨中心分别增设框架柱，形成双榀框架结构体系。同时由于建筑面积增大，仪表机柜间距要求也得到了满足。通过牺牲部分建筑空间美观要求，但总体实现了建筑主要功能，并彻底消除因方案不合理造成的结构安全隐患。1.2 水池超长设计方案不满足外加剂使用标准 本项目消防废水收集池上游专业依据方消防部门要求，拟定消防废水收集池容积为 16000m。根据总图专业规划，水池宽度拟定 25m、深度 5m。按此水池容积计算，水池长度不小于 128m，建议结构增设膨胀加强带，混凝土内掺膨胀加强剂解决超长开裂问题。本项目废水收集池液体介质呈弱碱性，而超长水池结构体使用的膨胀剂为强酸弱碱盐材料，水解呈弱酸性，两者接触易发生化学反应产生较大外加剂膨胀效应，对混凝土结构体产生轴向拉应力，从而导致水池产生较大裂缝。考虑到本项目收集池水质的特殊性，若采用超长预应力水池，首先混凝土入模温度难以准确计量，只能经过保守估算，造成计算误差较大，且预应力水池的造价较原方案相比会大幅度增加。最终经讨论，拟将水池平均划分 4个长度为 34m 的非超长水池结构体，相邻的两个水池区域设置变形缝，每个水池壁预留联通孔穿钢套管并做好防水措施。该方案不仅满足水池互连互通要求，而且避免了超长混凝土结构发生收缩变形导致开裂的风险。2 结构计算分析阶段出现的问题及解决方式 2 结构计算分析阶段出现的问题及解决方式 2.1 储罐穹顶柱脚截面不足 储罐穹顶平台柱脚按照其上部受力钢柱尺寸，结合混凝土施工手册构造要求，其截面尺寸较大。按常规柱子进行DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.05.03456 邓 彬：液化天然气接收站结构设计及问题解析 受力计算基本都为构造配筋（即满足最小配筋率）。本项目储罐顶部进料平台边柱，按结构自重，考虑常规恒、活载及风和地震组合情况下，柱底竖向力基本不大；且由于柱高较小，柱底弯矩也是在可控范围内。但通过管道应力看存在一种特殊向上的应力工况，导致柱子承受偏心受拉作用，此时柱子的受力状态相比受压是十分不利，经核算该柱截面不满足混规“N1/(1/Nu0+e0/Mu)”要求（其中 N 为柱脚承受拉力、Nu0 为柱脚轴心受拉承载力设计值、e0 和Mu 分别为柱顶弯矩及偏心距）。通过加大柱截面，理论上可以解决此问题，但由于储罐罐顶设备及管线布置空间等问题无法实现。经讨论复核计算，拟在距柱脚水平方向 5m 处增设钢柱，并通过对新增钢柱与原结构拉接，在两个方向上各形成了一跨补充框架，分担了受力柱的向上拉应力，从而解决柱脚截面尺寸偏心受拉状态下承载力不满足的问题。2.2 结构位移比计算结果异常 本项目中央控制室，结构体系为钢筋混凝土框架结构。由于上游专业需求，在控制室主区域内须实现完全开阔的空间视野，利于观察员无死角无障碍观察端部大屏幕信息，以至于中心区域不能存在框架柱。考虑到中央控制室四周及内部空间局部需要设置混凝土抗爆墙以承受爆炸载荷，柱网及抗爆墙的分布极其不均。按此方案建模计算后发现，层平均位移与层间最大位移比值为 1.6，地震和风载工况下，第一主振型平动系数仅为 0.70，扭转效应较为强烈。原因在于刚度分布不均，造成质量中心和刚度中心偏离较远。在上游方案无法调整情况下，通过加大较大位移处结构截面来解决问题。但考虑空间限制以及工程成本增加。此时最好解决方案是“抓大放小原则”，即在模型结果中找到位移最小的结构位置，降低其截面尺寸以提高其位移值。在一定范围内，适当的结构承载力降低可通过增加钢筋解决，且刚度不受配筋影响，对结构产生了一个协调变形的效果，最大位移值虽没有明显改观，但平均位移值上调，两者比值随之下降，位移比由 1.6 下降至 1.28，主振型的平动系数也随之增大至 0.92。此方案既节省了材料降低了成本，又提升结构安全度。3 施工阶段出现的问题及解决方式 3 施工阶段出现的问题及解决方式 3.1 预制桩施工时发生断裂 LNG 接收站项目由于建设周期短，为实现快速投产预制桩成为设计首选桩型。施工过程中，预制桩由于施工工法误差、工人操作技能差异、土质不均等各类因素，容易发生断桩情况。本项目泡沫站桩基施工时，发生了角柱下桩基断裂情况，由于总图规划不可随意调整，无法改变泡沫站位置，只能在原位置进行补桩。补桩首先考虑的问题是新增补的桩位与其他桩位的联合重心一定要保持与受力柱重心一致或小范围偏心，避免桩基产生反向拉力；另一个必须关注的问题是由于补桩后无法满足桩间距要求，必然造成桩侧摩阻力的损失。按照经验相对保守考虑，断裂一颗桩，最少要补偿两颗桩。在满足以上两点要求后，还要相应增加承台下部配筋量，以抵抗由于补桩导致产生了较大附加弯矩。综合以上措施后，虽成本略有增加，但相比其他方案是有效且可控的。3.2 储罐穹顶钢筋间距过密，混凝土振捣困难 储罐穹顶配筋首先需按照穹顶各分段截面弯矩、剪力、拉力计算，以满足结构承载极限状态的要求，同时也需要满足正常使用状态下裂缝宽度计算要求。基于以上，储罐穹顶钢筋直径通常较大、间距较密。本项目储罐在施工时发现，钢筋正常段间距虽较小，但不影响浇筑振捣影响。但在钢筋搭接段处无法振捣密实，甚至个别区域振捣后出现保护层不满足设计要求的情况发生。针对以上情况，采用以下方案解决上述问题：（1）剔除保护层过小处混凝土，将原有钢筋绑扎搭接处改为机械套筒连接，既增大钢筋布置间距，又满足在搭接区段钢筋不应超过 50%搭接率的问题。（2）其他区域搭接段钢筋由左右绑扎调整为上下绑扎方案，同时与机械套筒间隔使用，施工时注意钢筋的定位保护。4 结 语 4 结 语 液化天然气（LNG）接收站工程结构设计是一个复杂且多变的过程，理论计算必须严格遵照国家、行业标准规范执行，绝对不准许模糊规范概念、打规范擦边球的情况出现，但理论计算也需要兼顾实际施工。这需要结构设计工作从方案阶段到施工阶段全阶段介入，提前识别各阶段风险并通过优化技术方案、采取有效技术措施，实现结构安全性的同时降低工程成本。参考文献 参考文献 1 GB 50011-2010 建筑抗震设计规范S.2 GB 50010-2010 混凝土结构设计规范S.3 GB 50009-2012 建筑结构荷载规范S.