大型液化天然气储气罐沉降分析.pdf

低温建筑技术 2 0 1 2年第 1 1 期 总第 1 7 3 期 大型液化天然气储气罐沉降分析 贺超， 杨建江 天津大学建筑工程学院． 天津3 0 0 0 7 2 I 摘要】 随着我国天然气利用的不断增长 ， 对大型液化天然气储气罐的研究显得越来越重要。本文介绍 了 R a n d o l p h和 Wo r t h提出的单桩及群桩基础沉降公式并结合 A n s y s 有限元分析软件对高承台大型液化天然气储 气罐进行沉降分析。A n s y s 模型分析得出的沉降结果与已有工程经验有很好的吻合。 【 关键词】 高承台基础； 天然气储气罐； 沉降； A n s y s 【 中图分类号】 T U 4 3 3 【 文献标识码l B 【 文章编号l 1 0 0 1 6 8 6 4 【 2 0 1 2 1 1 0 0 4 6 0 2 S E T T L E ME N T A NA L Y S I S oN L A RG E L I Q U EF I E D NA T U R AL G AS S T ORA GE T AN K HE C h a o ， Y A N G J i a n - j i a n g D e p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， T i a n j i n U n i v e r s i t y ， T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 ，C h i n a Ab s t r a c t Wi t h the g r o w i n g u s e o f n a t u r a l g a s ，t h e s t u d y o f l a r g e s c a l e l i q u e fi e d n a t u r a l g a s s t o r a g e t a n k i s b e c o mi n g i n c r e a s i n g l y i mp o r t a n t ． T h i s p a p e r i n t rod u c e s t h e f o r mu l a o f s i n g l e p i l e a n d g r o u p p i l e f o u n da t i o n s e t t l e me n t p r o p o s e d b y Ra n d o l p h a n d W o r t h， a n d a l s o a naly s i s the s e t t l e me n t o f t h e h i g h c a p f o u n d a t i o n o f the l a r g e s c a l e l i q u e fi e d n a t u r a l g a s s t o r a g e t a n k wi t h An s y s fi n i t e e l e me n t a n aly s i s s o f t - - w a r e ． T h e s e d i me n t a t i o n r e s u l t s e d u c e d f r o m An s y s mo d e l a n a l y s i s a r e i n g o o d a g r e e me n t wi t h t h e e x i s t i n g e n g i n e e rin g e x p e rie n c e ． Ke y wo r d s h i g h c a p un d a t i o n； l i q u e fi e d n a t u r a l g a s s t o r a g e t a nk； s e t t l e me n t ；Ans y s 天然气作为清洁而且十分高效的气体燃料 ， 由于 其在环境影响、 能源效率等方面的显著优点， 成为了 2 1 世纪促进经济发展的重要资源。我国是天然气使 用量增长最快的国家， 预计到 2 0 1 5年 ， 我国天然气产 量将保持2 0 ％的平均增长速度， 天然气消费也将以年 均 1 1 ％ ～1 3 ％的幅度增长⋯。随着全球范 围天然气 利用的不断增长和储罐建造技术的发展 ， 液化天然气 储罐大 型化 的趋 势越发 明显 ， 单罐容 量 2 0 X 1 0 m 储 罐的建造技术 成熟， 最大 的地下储罐 已达到 2 5 1 0 m 容量 。 1 R a n d o l p h和 Wo r t h提 出的单桩及群桩基础计算 公式 R a n d o l p h 和 Wo r t h 【 2 给出了各向 同性 和非均 匀 土 体中计算单桩沉降的公式 1 4 2 7 r p H l t a n h ix H 1 H t t a n h L IX H, 1 G ．r P 1 一 ‘ ’ 1 一t ， 丌A r 。 日l P G ／ 2 AE ／ G 3 IXC Y T ／ r 。 4 i n r m ／ r 。 5 r m2 ． 5 H 。 P 1一 6 式中， P为桩顶所受到的荷载； t o为桩顶沉降； r n 为 群桩中单根桩的半径 ； H 1 为桩基的长度； G ． 为在深度 在一半桩长处线弹性土体的剪切模量； c s为桩端土体 的剪切模量； 为土体的泊松比； 为桩基的弹性模量。 表 1 为非均匀土体中单桩在桩端处的沉降。 由这 些数据可看 出 ， 对于 各 向同性 土或非均 匀 土而言 ， 在 土体刚度比较大时， 根据公式 1 得到的单桩沉降具 有 良好 的精度。 表 1 各 向同性土 中单桩 的沉降 t ， 0 ． 4 m i ll 贺 超等 大型液化天然气储气罐沉降分析 4 7 相互作用因子 是由P o u l o s 引入的， 用来表示 两根桩 之间的互 相影响。 R a n d o l p h和 Wo r t h在前人 研 究的基础上得出了 的计算公式 2 r p H t t a n h ／ x H 1 1 一 ’ r 。 日l 1 g 7 式中， I n r in g ／ r ， sI n F ro g ／ s ， 1 ． 1 5 ／ x 其余符号意义同上。 研究 证明对 于高 承 台桩 由于 不用 考虑 承 台承 担 的地基反力 ， 而且单桩影响范围不大， 所 以在考虑群 桩效应时可以只考虑周围部分桩体对某一根桩的影 响。 。 。 是第二根桩对第一根桩产生的附加沉降， 其 中 。 为一、 二两根桩的互相影响因子 ， ， 为第一根桩 的原始沉降值。 则第一根桩 的总沉降值可以表示为 l l O t 2 1 3 l ⋯ ∞ l 。 2 工程实例 介绍 该液化天然气储罐为双层全容罐， 由内罐和外罐 组成， 内罐是厚度不等的含9 ％N i 钢的低合金钢， 外罐 则 由钢筋混凝土承台、 预应力钢筋混凝土罐壁和钢筋 混凝土穹顶组成， 储罐的外罐璧分别设有环向预应力 筋和竖向预应力筋 ， 上部结构图见图 1 。 图1 上部结构示意图 本模型中桩采用对称布置， 中问桩位采用矩形布 置， 该处承台厚 1 ． 1 m汐 部4圈桩采用环形布置， 承台 厚 1 ． 4 m； 桩长 3 0 m， 一共设 有桩 5 2 8根。 桩布置详见 图 2 。 表 2为该工程地质情 况。 3 A n s y s 有 限元分析 该模型只建上部结构及土面以上桩体， 下部建立 弹簧单元 以代替桩土间效应 ， 弹簧 刚度可根据公式 1 来确定， 实际上公式 1 中的 P ／ 就为弹簧刚度 ， 单桩的弹簧刚度为 1 ． 9 8 X 1 0 N ／ m， 考虑群桩效应后 ， 因为有部分桩 的分布不均匀而且内外圈桩的沉降比 也不同， 所以在此基础上乘以前面所述的桩间相互作 用因子 ， 弹簧 刚度分 别有 1 ． 0 3 X 1 0 。 、 0 ． 7 5 3 X 1 0 。 、 0 ． 7 1 1 X 1 0 、 0 ． 6 8 8 X 1 0 、 0 ． 6 5 41 0 N ／ m 。模 型如 图 3 所示 。 一 图2 桩位布置图 表2 土体静力分析参数 图3 考虑桩土沉降的模型示意图 按照 J G J 9 42 0 0 8 建筑桩基技术规范 规定， 沉降计算应使用荷载效应准永久组合来施加荷载。 G B一 5 0 0 0 92 0 0 1 建筑结构荷载规范 2 0 0 6版 j 第 3 ． 2 ． 1 0规定对于准永久组合 图4为桩基础桩顶沉降分布图。由图可知沉降最 大 出现在群 桩基 础 的 中心 位置 ， 为 3 4 ． 8 5 m m； 最小 出 现在 由外 向内数 的第三 圈桩 ， 为 2 9 ． 4 3 m m 。造成 这样 结果 的是 桩顶 荷 载和承 台刚度共 同造成 的。外 面 四 圈圆形布桩的沉降在 3 0 m m左右 ， 比中间沉降小， 这是 因为虽然这部分桩的桩顶荷载较内部大 6 2 ％左右， 但 是这部分桩处于外圈， 受到其他桩的影响较小， 也就 是群桩效应中的沉降比较大 ， 所以沉降较小。内部方 形布桩的部分虽然桩顶荷载小， 但是处于中心地带， 下转第 5 4页 5 4 低温建筑技术 2 0 1 2年第 1 1期 总第 1 7 3期 图7 人工波作用下屋顶位移时程图 大正位移及最大负位移发生在同一时刻； ②左柱顶节 点位移最大值为负值， 右柱顶位移最大值为正值 ， 而 屋顶节点的最大位移有正有负； ③E 1 一 C e n t r o 波作用下 的位移响应最大， T a f t 波其次， 人工波最小； ④柱顶层 间位移角最大值为 1 ／ 3 5 2 ， 远小于 f - I 式刚架轻型房屋 钢结构技术规程 规定， 同时符合其它规范和规程的 要求 。 3总结 本文采用有限元软件 A N S Y S对变截面大跨门式 刚架开展了动力时程分析， 得到三种地震波作用下柱 顶、 屋顶位移和层间位移角的变化规律 ， 其最大值均 符合规范的要求。基于变形性能对门式刚架的抗震 性能进行了研究， 可为开展大跨变截面门式刚架抗震 上接 第 4 7页 受周 围桩影响 大 ， 由前 面 的式 子算得 的 弹簧刚度 只有 0 ． 6 5 41 0 8 N ／ m为最外圈桩弹簧刚度的6 0 ％左右， 再 加上承台的变形， 因此沉降由外 向内依次增大。总体 而言该基础沉 降呈碟形 分布。 此承 台 桩 基 础 的 沉 降 差 并 不 是 很 大， 只 有 5 ． 4 2 m m， 沉 降较 为均匀 ， 这 得益于 荷载分布 的不均匀 ， 不均匀 的荷载分布抵消 了承 台的变形 和群桩 效应 所带 来的影响。因此由以上分析可得沉降的分布是由上部 荷载分布情况、 承台刚度以及桩的竖向刚度共同影响。 4结语 ． 一 ‘ 图4 桩顶沉降示意图 设计提供参考。 表 3 屋顶节点位移极值 参考文献 [ 1 ] 袁婷， 大坡度轻型门式刚架静动力性能分析[ D ] ． 武汉 武汉 理工大学 ， 2 0 1 1 ． [ 2 ] 郭彦林， 潘溥， 刘涛， 罗颖 ． 变截面门式钢刚架结构稳定承载 力的试 验与理论研究[ j ] ． 建筑结构学报 ， 2 0 0 4， 2 5 2 8 1 5 ． [ 3 ] 王元清 ， 施飞 ， 张勇 ， 石永久 ．变截 面门式拱架 轻钢结 构承载 性能的有限元分析[ J ] ． 北京交通大学学报， 2 0 0 6 ， 3 0 1 9 ． [ 4 ] 博弈创 作室 ． A P D L参 数化 有 限元分 析 技 术及 其 应 用实 例 [ M] ． 北京 中国水利水电出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 收稿 日期 ] 2 0 1 20 9 0 4 [ 作者简介] 罗勇哲 1 9 7 9一 ， 男， 黑龙江五常人， 工程师， 主 要从事结构 设计工作 。 本文利用 A n s y s 模拟分 析了高承 台基础液化 天然 气储罐沉降， 得到了最大沉降值为 3 4 ． 8 5 m m； 最小沉降 值为 2 9 ． 4 3 ra m。并指出不均匀沉降分布情况是由上部 荷载分布 、 承台刚度、 桩的竖 向刚度共 同作用而产生。 参考文献 [ 1 ] 郭揆常 ．液化 天然气 L N G 应 厢于安全 [ M] ． 北京 中国石化 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 2 ] Ra n d o l p h M J ． An a l y s i s o f d e f o r m a t io n of v e r t i c a l l y l o a d e d p i l e s [ J J ． A S C E， 1 9 7 8 1 4 6 51 4 8 8． [ 3 ] P o u l o s H G， A n al y s i s o f t h e s e t t l e m e n t o f p i l e g r o u p[ J ] ． G e o t e e h n i q u e ，1 9 6 8 ， 1 8 4 4 4 9 4 7 1 ． [ 4 ] 吕娜娜， 谢剑， 杨建江 ． 大型 L N G低温储罐建造技术综述[ J ] ． 特种结构 ， 2 0 1 0 ， 1 ． [ 5 ] J G J 9 4 2 0 0 8 ， 建筑桩基技术规范[ s ] ． [ 6 ] G B 5 0 0 0 9 2 0 0 1 ， 建筑结构荷载规范[ s ] ． [ 收稿 日期】 2 0 1 2 0 62 0 [ 作者简介 ] 贺超 1 9 8 8一 ， 男 ， 辽 宁朝 阳人 ， 硕 士， 研究方 向 工程结构抗震加固与混凝土结构。