LNG储罐混凝土外罐竖向预应力筋的张拉顺序

张云峰， 许丽佳， 李 宁， 袁朝庆， 张 音

( 1. 东北石油大学 土木建筑工程学院，黑龙江 大庆 163318； 2. 东北石油大学 黑龙江省防灾减灾及防护工程重点实验室,黑龙江 大庆 163318; 3. 大庆油田工程建设有限公司 油建公司，黑龙江 大庆 163000 )

0 引言

随着世界范围内能源消耗的不断增长，天然气作为一种优质、高效、清洁的能源被广泛应用于各个领域.2020年天然气用量将超越石油，成为世界第一大能源[1].为满足液化天然气储存的需要，缓解国内尤其是东部沿海地区液化天然气的供应不足，我国在东部沿海地区积极建设和筹备建造液化天然气接收终端和贮存设施.LNG储罐(液化天然气储罐)以其储量大、占地少，而且具有很好的安全性、稳定性和耐久性等优点，成为国际上主要天然气储存手段[1].

在实践方面，1940年，俄亥俄天然气公司建立第一座天然气工厂，并建造3台LNG球形储罐.1954年，出现第一台用于液氧的不锈钢双壁绝热平底低温储槽.从20世纪50～80年代，双壁绝热平底LNG储罐容积不断扩大：60年代为(1～3)×104m3,70年代为(5～10)×104m3，80年代已超过20×104m3[2].在理论研究方面，Rostasy F S等研究得出低温下不同等级的混凝土和钢筋的强度、弹性模量、线膨胀系数等参数随温度的变化趋势及其相应的取值[3].Jeon S J等研究预应力LNG储罐的各项结构参数对结构受力性能的影响，得出合理的结构参数取值[4].目前，美国、日本、欧盟等已经制定专门的规范和标准[2,5].我国的LNG储罐的建造和设计处于起步阶段，尚无大型液化天然气贮罐国家标准，也无自行设计、建造的大型液化天然气储罐，更未掌握液化天然气核心技术.对LNG储罐也缺乏系统的理论分析与研究，特别是针对外罐预应力张拉工艺方面的研究还很少.对LNG储罐的研究也主要集中在罐体的抗震，以及储罐与储液的固液耦合问题的研究，对预应力外罐的施工研究甚少.因此，对大型预应力LNG储罐施工进行分析与设计是保证施工安全的首要任务.

笔者针对我国预应力LNG储罐设计研究及施工领域相对落后的现状，拟对LNG储罐外罐进行预应力后张拉模拟试验，并分析预应力罐体在预应力施加过程中，结构各部分的应力、位移响应，从而得出正确的张拉顺序，为预应力LNG储罐施工技术的改进奠定基础.

1 工程概况

LNG储罐(见图1)容积为50 000 m3，罐体内径为54.800 m，外径为56.100 m，壁厚为0.650 m，内壁高度为29.300 m，上面形成环梁及穹顶半径为54.800 m，矢高为7.342 m，穹顶厚度为0.400 m.罐体支承在桩基上，底板厚度为0.900～1.200 m，直径为59.100 m.底板与零米地坪架空1.500 m，桩基采用286根Ø800PHCAB桩型，桩长为57 m[6].

图1 预应力LNG储罐剖面

外罐罐壁采用C40混凝土；钢筋布置采用普通钢筋与后张法无黏结预应力钢筋结合，预应力筋采用钢绞线D=15.200 m(D为直径)，钢绞线标准强度fptk=1 860 N/mm2，钢绞线设计强度fpy=1 320 N/mm2；普通钢筋采用HRB400级钢筋[6].

2 有限元数值模拟

2.1 假设条件

2.1.1 材料

所用材料采取非线性弹性理论，认为应力-应变关系不再是线性，卸载后没有残余应变，应力状态完全由应变状态决定.

(1)混凝土.对于单轴受拉状态下的混凝土，其破坏准则取拉应力达到抗拉设计强度时为准，而混凝土受压的本构关系计算式采用Kent-Park模型的经验公式.

(2)普通钢筋.假设混凝土与普通钢筋之间没有相对滑移，对钢筋和混凝土采用整体式方法建立模型.同时，根据强度等效原则，将普通钢筋的体积转化为混凝土的体积.

2.1.2 边界

(1)假设储罐底部与地面固接，罐底任何方向没有位移.

(2)当施加预应力时，假设预应力筋端部与混凝土没有相对移动，即预应力筋没有内缩.

(3)不考虑预应力筋张拉后的应力损失[10-11].

2.2 有限元模型

在ANSYS有限元软件中，混凝土单元类型选择SOLID65单元，预应力钢筋单元类型选择LINK8单元[12-13].

单元划分采用映射网格划分(mapped meshing)，每个单元均为六面体.为实现混凝土和预应力筋的组合，要求混凝土单元和预应力筋单元共用节点，采用体分割法或独立建模耦合法实现.采用独立建模耦合法实现预应力钢筋和混凝土之间力的传递.首先分别建立混凝土和预应力钢筋模型；而后对其进行网格划分，使混凝土单元和钢筋单元共用节点共同作用；最后对预应力筋采用等效降温法模拟预应力效应.LNG储罐外罐罐壁与竖向预应力钢筋耦合模型及有限元约束模型见图2和图3.

图2 预应力LNG储罐耦合模型

图3 预应力LNG储罐有限元约束模型

3 竖向预应力钢筋张拉实验

3.1 张拉方案

预应力钢筋的预应力荷载通过等效温度的方式施加.根据钢筋热胀冷缩原理，即钢筋施加预应力产生的变形等于温度的变化产生的变形，计算公式[14-15]为

(1)

式中：T为施加的温度；F为实际施加的力；E为钢筋弹性模量；A为钢筋面积；δ为钢筋的线膨胀系数.

实验采用四点、三点、二点对称张拉的3种方案.由于在全罐中配置竖向预应力筋120根，为合理而简便地分析其应力、位移变化规律，每种张拉方案都以5根筋为一小组，四点对称张拉方案有6组，三点对称张拉方案有8组，二点对称张拉方案有12组.

图4 竖向预应力筋顺时针四点对称张拉

(1)竖向预应力筋四点顺时针对称张拉方法见图4.其中①标记点处同时张拉预应力筋，进行数值模拟，计算得到混凝土的最大应力、位移.接着顺时针张拉②标记点预应力筋，然后顺时针继续张拉，直至所有预应力筋张拉结束.

(2) 竖向预应力筋三点顺时针对称张拉方法见图5，实验过程同方法(1).

(3)竖向预应力筋二点顺时针对称张拉方法见图6，实验过程同方法(1).

图5 竖向预应力筋顺时针三点对称张拉

图6 竖向预应力筋顺时针二点对称张拉

在实际工程中常规采用的分步一次加载法是按照整体结构计算模型下，对每个施工步当前累积荷载一次性加载，进行结构分析，而不考虑之前的施工加载结构力学响应变化过程的影响.

表1 张拉控制应力允许值

注：fptk为预应力筋的标准强度.

该方法力学概念简单，易于掌握，一般的结构分析软件均能计算实现.对预应力筋进行一次张拉，采用后张无黏结法、有限元分析等效降温法，由式(1)及表1计算得出，初始温度为0 ℃，降温至-770 ℃.

3.2 不同张拉顺序结果

利用ANSYS有限元分析软件，对竖向预应力筋四点、三点和二点对称张拉进行模拟实验，得出不同张拉方法下，张拉过程中的外罐的最大应力与最大位移数据，结果见表2-4.

3.3 结果分析

根据四点、三点、二点对称张拉顺序下最大应力、位移计算结果，绘制图7和图8.根据表2-4及图7-8曲线可以看出：

(1)应力方面.第一组筋张拉完成后，二、三、四点对称张拉下混凝土的最大应力为6.93 MPa，在整个张拉过程中最大，原因是刚开始张拉时存在应力分布集中.由图7可以看出，二点对称张拉的最大应力降低较其他方案的快，并且降低后其最大应力始终保持在5.8～6.0 MPa之间，比较稳定且变化平缓.在预应力张拉过程中，二点对称张拉的混凝土应力较小，变化稳定，对墙体的破坏力要小一些.

表2 竖向四点对称张拉外罐混凝土最大应力、位移

表4 竖向二点对称张拉外罐混凝土最大应力、位移

表3 竖向三点对称张拉外罐混凝土最大应力、位移

图7 竖向张拉最大应力分析曲线

图8 竖向张拉最大位移分析曲线

(2)位移变形方面.在张拉第一组预应力筋之后，3种张拉方案的最大位移几乎相同.四点对称张拉的最大位移出现在张拉60根预应力钢筋时(张拉第3组预应力筋)，为1.658 mm；三点对称张拉的最大位移出现在张拉45根预应力钢筋时(张拉第3组预应力筋)，为1.634 mm；二点对称张拉的最大位移出现在张拉30根预应力钢筋时(张拉第3组预应力筋)，为1.628 mm.纵向对比3种张拉方案，张拉过程中四点对称张拉弯管混凝土位移较其他方案的偏高.因此，从变形角度分析，二点、三点对称张拉优于四点对称张拉.

4 结论

(1)应用ANSYS有限元软件模拟分析LNG储罐外罐壁的应力、位移，对预应力筋的张拉采用等效降温法进行模拟.对比四点、三点、二点张拉下混凝土的最大应力、位移曲线，不同张拉顺序下，应力、位移最终趋于相同，只是在张拉过程中，应力、位移不同，对结构产生的影响也不同.

(2)无论哪种张拉方式，在预应力张拉过程中，外罐混凝土最大应力均不超过7 MPa，仅为抗压标准强度(19.1 MPa)的37%.因此，在实际工程中建议对外罐提前张拉预应力筋，即当混凝土达到75%抗压标准强度时开始张拉预应力筋.

(3)现场施工时，四点对称张拉需要的人工、设备多，但是工期短；二点对称张拉与其正好相反.因此，综合考虑最大应力、位移的变化，人工、设备、时间、操作面等情况，竖向二点张拉更符合现场实际施工顺序.