【论文】肖立等:LNG 储罐隔震支座模拟更换方案评价

0　引言

为了缓解国内天然气供应不足的矛盾，优化能源结构，改善生态环境，保证国民经济持续健康发展，我国正在进口更多的液化天然气（ LNG ），并在沿海地区加速建造 LNG 接收及贮存设施。为了提高 LNG 储罐在服役期内的抗震可靠性，许多储罐采用了隔震技术。迄今为止安装有隔震支座的 LNG 储罐已超过 20 座，部分隔震 LNG 储罐已运行了十几年，而 LNG 储罐的服役期为 50 年。相关调研资料显示，目前有少量 LNG 储罐隔震支座出现了橡胶表层脱落的现象，储罐服役期内很有可能进行隔震支座更换，而 LNG 储罐隔震支座的更换技术研究鲜有报道。

国内对桥梁支座更换技术研究较多，多数桥梁支座更换应用了同步顶升技术 ^[1-7] 。同步顶升技术对顶升设备的精度、控制器的性能、结构的监测等要求高 ^[8-11] 。建筑隔震支座更换技术除同步顶升更换方案外，还有异步顶升更换方案 ^[12-17] 。无论是同步顶升技术还是异步顶升技术，其目的是提升上部结构高度获得支座更换空间，施工相对复杂，要求精准控制，成本相对较高。

目前，对 LNG 储罐隔震支座更换技术的研究较少，施工技术指标和质量控制标准缺失 ^[18-20] 。为了验证 LNG 储罐隔震支座更换的可行性，探索 LNG 储罐隔震支座更换方法，为 LNG 储罐隔震支座更换工作进行技术积累，采用缩小尺存模型施工模拟试验的方法对上述问题进行了研究。设计了 3 种 LNG 储罐隔震支座更换方案，并分别进行了隔震支座的更换施工，验证了这 3 种更换方案的适用性，并对其进行了经济性分析与工期分析，希望为今后 LNG 储罐隔震支座更换工程积累经验并提供有益参考。

1　LNG 储罐隔震支座更换试验台

1.1　试验模型

LNG 储罐隔震支座模拟更换试验台结构如图 1 所示：直径 13.0 m 、厚度 1.0 m 的混凝土圆形承台，双层双向配筋；直径 1.0 m 的短柱，高度 1.5 m ； 12 只直径 800 mm 的橡胶隔震支座。建成后的 LNG 储罐隔震支座更换试验平台如图 2 所示。

1.2　试验监测

在试验结构顶升位置附近布置 12 个位移监测点，通过监测各观测点实际位置与预期位置的差异，判断和控制顶升过程。在混凝土承台底板布置 18 只应变计，监控同步顶升作业对罐体结构的影响。其中， 17 号、 18 号点位为补充监测点，在堆载过程中， 17 号、 18 号点位处出现裂纹，增设应变监测点用以监控裂纹的开展情况。监测传感器平面布置如图 3 所示。

监测设备：行程 300 mm 的 KS30 型拉线式位移传感器及数据采集系统，应变计及 2 台 16 通道应变采集仪。

1.3　试验堆载

3 种方案进行隔震支座更换试验，全程设计堆载 960 t ，均匀分布于混凝土承台上。

2　同步顶升法

2.1　同步顶升系统

PLC 同步顶升系统由液压系统（油泵、油缸、管路等）、计算机控制系统、液压千斤顶等几个部分组成。液压系统由计算机控制，可以自动完成同步位移、力和位移控制、位移误差控制、行程控制、负载压力控制；油缸液控单向阀及机械自锁装置可防止系统及管路失压，保证负载、有效支撑等多种功能。试验选用顶升力 2 500 kN 、行程 100 mm 的液压千斤顶（图 4 ）。

2.2　施工工具

施工工具包括液压平板车、手动葫芦及宽绑带、叉车、“ F ”形杠杆、辅助旋转板、扭矩扳手、滚轴等， F 形杠杆用以支座连接孔位调整（图 5 ）。

2.3　同步顶升作业进行隔震支座更换施工

同步顶升方案进行隔震支座更换的施工作业流程如图 6 所示。施工步骤如下：

1 ）顶升支撑设计、加工及现场安装，顶升支撑采用钢管混凝土。

2 ）支承结构上对称布置同步液压顶升设备，并在试验承台底和侧面安装位移监测设备。

3 ）实施同步顶升作业，提升试验承台高度，获取隔震支座更换空间。同步顶升作业过程复杂，要求务必控制精准，分为试顶升作业和正式顶升作业两个阶段实施。具体实施步骤为：①将支座与承台的连接螺栓拧松，给顶升作业留出位移空间。②试顶升 3 次，检查千斤顶、顶升系统管路是否漏油，承台混凝土是否有压裂等异常情况。顶升位移量为 3 mm ，荷载增加按 0 mm 、 0.5 mm 、 1.0 mm 、 1.5 mm 、 2.0 mm 、 2.5 mm 、 3.0 mm 进行。监测结果如图 7 、 8 所示，显示各点位移同步性较好，应变监测值较小，结构无损伤，各点位油压偏差不大于 5% ，同步液压系统工作完全正常，可以进行正式顶升。③顶升高度遵循最小原则，即在能顺利取出支座的情况下，尽可能减小顶升高度，此次顶升作业高度为 10.0 mm 。④顶升速度与精度控制：将速度控制在 2 mm/min 以内，各点位的提升精度偏差控制在 0.5 mm 以内，可以认为结构基本一直处于静止状态，顶升作业不会对结构受力和变形造成影响。⑤位移加载机制为： 0 mm 、 0.5 mm 、 1.0 mm 、 1.5 mm 、 2.0 mm 、 2.5 mm 、 3.0 mm 、 4.0 mm 、 5.0 mm 、 6.0 mm 、 7.0 mm 、 8.0 mm 、 9.0 mm 、 10.0 mm 。当顶升至设计高度时，判定支座可以取出，停止顶升，并锁定所有液压千斤顶，取出所有连接螺栓。

4 ）逐个更换隔震支座。如图 9 所示，在混凝土支墩旁，设计支座取出方向侧放置液压平板车，拖曳绑带与支座本体固定牢靠，拖曳绑带另一端与手动葫芦相连，拉动手动葫芦，平移取出旧隔震支座。在手动葫芦拉出隔震支座过程中，在隔震支座平移的路线上放置滚轴，便于支座平移取出。

当旧隔震支座完全平移至液压平板车上后，下降液压平板车高度，运出旧支座； 在叉车的辅助下，快速转移旧支座，并安放新支座至液压平板车上，将新支座运抵混凝土支墩旁，从设计新支座进入方向侧放置液压平板车。

5 ）安放新支座。抬升液压平板车至设计高度，利用拖曳绑带、手动葫芦，平移拉入新支座至混凝土支墩上。利用辅助旋转板及“ F ”形杠杆调整支座位置及螺栓孔位。当隔震支座大致就位后，利用橇棒抬升支座一侧，将辅助旋转板放入支座下连接板与下支墩上表面的间隙；用两只“ F ”形杠杆对称布置于支座两侧，卡口插入连接板螺栓孔中，旋转调整支座位置直至支座连接板螺栓孔位与预埋套筒螺栓孔位完全对齐。

6 ）安装螺栓。先安装并拧紧上顶板 2 颗对角螺栓提升支座高度，取出辅助旋转板。再安装其他螺栓，待其余支座更换完毕，进行同步回落。同步回落的控制要求与同步顶升一致，回落速度小于 2 mm/min ，各点位回落位移偏差小于 0.5 mm ，各点位油压偏差小于 5% 。承台回落后，拧紧螺栓完成支座更换。

2.4　监测结果

1 ）位移监测点的位移同步性很好，各点位的顶升精度偏差控制在 0.5 mm 以内，验证了同步顶升系统的有效性。

2 ）同步顶升以及支座更换过程中，各点位的应变数值往复上下震荡，对监测数据进行数据处理排除漂移、扰动等因素后的统计结果如图 10 所示，所监测到的应变数值均较小，多数监测点位的应变值只有几个微应变，应变最大值没有超过 10 微应变，较小的应变监测结果验证了顶升过程的同步性。

3　凿除法

3.1　凿除法进行隔震支座更换作业流程

凿除法进行隔震支座更换的作业流程如图 11 所示。

3.2　凿除法工具

凿除法用到的工具有：电镐、扭矩扳手、液压平板车、火焰切割机、叉车、电焊机、自制可拆卸导轨装置、手动葫芦、绳索若干。

3.3　施工步骤

1 ）施工组织设计，确定凿除更换施工顺序。为了保证施工安全，确定凿除法支座更换的原则为：先内后外；分批对称施工。如图 12 所示：共分 3 批次进行支座更换工作，分别按图示 1 、 2 、 3 顺序更换。

2 ）临时支撑设计、支撑加工及现场安装就位（同顶升方案），千斤顶放置。提升千斤顶上表面至其表面与混凝土承台密贴为止。

3 ）凿除短柱锚固范围内的混凝土，露出纵向主筋以及箍筋，剔除混凝土时注意保护好钢筋笼。

4 ）拆除下锚固螺栓，取出下锚固件。锚筋与下支墩主筋通过横向短钢筋点焊连接的情况下，用火焰切割的方法使其分离。

5 ）自制装配式可拆卸的导轨装置（图 13 ），沿柱墩四周安装牢靠。自制装配式可拆卸的导轨装置是根据现场支墩的测量数据进行设计，采用 C 形钢拼装制作，用作支座下落的支撑平面，并用作移出支座的轨道。

6 ）使用扭矩扳手移除隔震支座上连接板的锚固螺栓，让支座平稳落到自制的导轨装置上。利用手动葫芦、绑带等工具平移拉出隔震支座至移动液压平板车上，运出旧支座并运入新支座。

7 ）抬升液压平板车高度，利用手动葫芦将新支座自液压平板车上移至自制导轨装置上。

8 ）用自制“ F ”形工具调整新支座孔位与原上部连接螺栓孔对齐。

9 ）对称拧紧上部连接螺栓，抬升支座高度。

10 ）拆卸并移除自制的导轨装置，安装下支墩锚固件，拧紧所有螺栓。

11 ）用鼓风机清理下支墩凿除区域混凝土墩台表面的浮尘，并支模板。

12 ）从进料口灌注高强无收缩自流平灌浆料，灌浆料的强度等级至少比原支墩混凝土的强度等级高一级。

13 ）拆除模板，浇水养护。利用凿除法进行隔震支座更换过程中，隔震层上部结构没有明显的扰动，混凝土承台底板各应变监测点反馈的应变监测值变化极小。

4　预设可更换结构更换方案

4.1　可更换结构

应用可更换装置进行隔震支座更换的思路是在隔震支座安装时，预设隔震支座更换结构，当隔震支座需要更换时，通过取出预设可更换结构，获取支座的更换空间，实现 LNG 储罐隔震支座的快速更换。本方案设计的可更换装置如图 14 所示。为了减小取出可更换结构的摩擦阻力，钢板一侧安装有超高分子量聚乙烯板，滑板表面设置有储油槽，涂有润滑硅脂；另一侧安装有镜面不锈钢。

4.2　支座更换流程

利用可更换装置进行隔震支座更换的流程如图 15 ～ 17 所示。

支座更换步骤如下：

1 ）施工组织设计，确定支座更换施工顺序。更换顺序与凿除法一致，分别按图 12 所示 1 、 2 、 3 顺序更换。

2 ）临时支撑设计、支撑加工及现场安装就位（同顶升方案）。

3 ）卸掉当前需更换支座下连接板的锚固螺栓，通过手动葫芦快速取出可更换结构。

4 ）在支座下连接板与桩承台上表面放入滚轴，便于支座拉出；并对称移除支座上连接板连接螺栓，使支座能够平稳下落至支墩表面的滚轴上。

5 ）利用手动葫芦平移拉出旧支座至液压平板车，降低液压车高度，运出旧支座，运入新支座。

6 ）通过液压平板车、牵引设备等组成的推进系统将新支座安放就位。

7 ）通过自制“ F ”形工具调整连接螺栓孔位与原预埋套筒的螺栓孔对齐。

8 ）对称拧紧螺栓，完成支座的更换。预设可更换装置进行隔震支座更换过程中，隔震层上部结构也没有明显的扰动，混凝土承台底板各应变监测点反馈的应变监测值变化极小。

5　经济性与施工效率分析

对 3 种隔震支座的更换方案进行了成本与工期分析，其结果如表 1 所示。

从试验工期角度考虑，利用辅助更换装置进行更换效率最高， 4 人工作班组每天更换 6.0 只支座；其次是同步顶升更换方案， 4 人工作班组每天更换 2.4 只支座；凿除法更换效率最慢， 4 人工作班组每天更换 1.2 只支座。

从更换支座的试验费用来考虑，利用辅助更换装置进行更换成本最低，更换支座的成本为 0.61 万元 / 只；其次是凿除法，更换支座的成本 0.91 万元 / 只；同步顶升法费用最高，更换支座的成本 2.28 万元 / 只。随着同步顶升点位数量的增加，同步顶升法更换支座的成本会降下来。

6　结论

1 ）提供了一种精准控制的 LNG 储罐隔震支座同步顶升更换方案及相应的监测方案，可以很方便地进行同步控制，不改变原有 LNG 储罐的受力和变形，减小顶升作业对结构的损伤。

2 ）提出的凿除法是通过重塑隔震支座连接的下支墩获取支座的更换空间，避免了传统更换技术中对建筑结构进行顶升，对上部结构没有损伤。免顶升隔震支座更换技术在设计计算、结构加固、健康监测等方面更为简单、易操作，支座更换技术难度更低、更换的成本也更低。

3 ）预设可更换结构的支座更换方案是事前已考虑隔震支座的更换需求，通过可更换装置获取隔震支座更换空间，可以快速实现更换隔震支座的目标。

4 ）给出了一些便于施工的解决方案，如利用液压平板车进行支撑和运转支座、利用辅助旋转装置和自制“ F ”形旋转工具精确调整螺栓孔位，在支墩表面放置滚轴方便支座平移等。

5 ）对 3 种方案进行了技术分析、经济性分析与工期分析，同步顶升法技术复杂程度高、技术难度大、作业要求最高，预设可更换结构的隔震支座更换方案技术难度低、经济性最好，支座更换效率最快。因此，在 LNG 储罐应用隔震技术时考虑后期的更换结构显得非常有必要。