LNG儲罐混凝土外罐預應力張拉順序與罐壁底端加厚研究

鐘曦中海石油氣電集團有限責任公司，北京　100028

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LNG儲罐混凝土外罐預應力張拉順序與罐壁底端加厚研究

鐘曦
中海石油氣電集團有限責任公司，北京100028

摘要：LNG儲罐預應力混凝土外罐建造技術一直是接收站建設中的一個難題。施工中發現不同的預應力張拉順序對混凝土裂縫的大小有較大影響。借助于ANSYS有限元軟件，對LNG預應力混凝土外罐罐壁在不同預應力張拉順序下的內力分布進行了深入研究，分析了不同的預應力張拉順序對預應力混凝土儲罐結構的影響。并對罐壁底端的受力情況進行了有限元分析，提出了罐壁底端加厚的改進措施，解決了LNG預應力混凝土外罐罐壁預應力設計施工中的應力過大的問題，有效地控制了罐壁底端裂縫的產生。

關鍵詞：LNG儲罐；預應力混凝土；預應力張拉順序；底端加厚；應力分析

全容式LNG儲罐混凝土外罐是由圓形承臺底板、圓柱形罐壁和穹形罐頂組成的超靜定混凝土結構。其中圓形承臺底板和穹形罐頂在一般荷載作用下其混凝土截面主要受壓或可控性受拉，即強度計算時，通過普通配筋就能滿足強度承載力要求。正常使用時這些普通配筋可滿足抗裂縫要求，故圓形承臺底板和穹形罐頂可不施加預應力，僅采用鋼筋混凝土結構即可。而圓柱形罐壁在泄漏荷載下將會豎向受彎、環向軸心受拉；內外罐壁表面的溫度差效應將使罐壁豎向和環向都受彎；地震荷載作用將使罐壁豎向和環向均受彎。在上述荷載的組合作用下，罐壁的豎向和環向都會產生很大的拉力，這些力若完全由混凝土自身來抵抗，則截面尺寸會非常大，故可在罐壁的豎向和環向設置預應力來平衡拉力作用，以減小截面尺寸。

目前國內已建和在建的LNG全容儲罐設計中并未考慮實際預應力張拉順序對罐壁結構應力的影響，而是將預應力荷載一次性施加到結構模型中。而圓筒形罐壁在實際預應力容易張拉施工過程中，會在罐壁產生很大的附加應力，易導致罐壁混凝土開裂。本文將利用ANSYS有限元軟件，對不同的預應力張拉順序產生的罐壁混凝土截面附加應力進行計算，得到最優化的預應力施工方案，為實際工程提供設計參考。

1　幾何模型

以某3萬m3LNG預應力混凝土全容儲罐為研究對象，借助ANSYS有限元軟件，研究不同的預應力張拉順序對儲罐預應力混凝土罐壁受力情況的影響。外罐罐壁高度為27 m，內罐半徑為22.5 m，內外罐之間環形空間為1 m，保冷材料從內罐外壁至混凝土外罐內壁依次為玻璃纖維毯、膨脹珍珠巖，5 m高度以下部分由9%鎳鋼制成的熱保護角、熱保護角和外罐之間的泡沫玻璃磚以及鋼制內襯組成。預應力混凝土罐壁厚度650 mm，混凝土強度C50，罐壁中豎向預應力鋼絞線為90束，環向預應力鋼絞線為39束，每束預應力鋼絞線施加預應力荷載為1 116 MPa。

在本項目應力分析中建立的實體結構有限元模型［1- 2］，如圖1所示。

圖1　有限元模型

2　預應力張拉方案研究

根據工程實際設計5種可能的預應力張拉順序方案，分別為：

方案1：先張拉環向預應力鋼絞線，再張拉豎向預應力鋼絞線，環向預應力鋼絞線的張拉順序為由上至下依次張拉。

下面4種方案均為先張拉豎向預應力鋼絞線，后張拉環向預應力鋼絞線，只是環向預應力鋼絞線的張拉順序不同。

方案2：環向預應力鋼絞線的張拉順序由下至上。

方案3：環向預應力鋼絞線的張拉順序由上至下。

方案4：環向預應力鋼絞線的張拉順序由中間往上下兩端對稱張拉。

方案5：環向預應力鋼絞線的張拉順序由上下兩端對稱往中間張拉。

用ANSYS模擬以上5種方案，每張拉2束預應力鋼絞線提取一次計算結果，該結果為預應力混凝土罐壁的最大環向應力和最大豎向應力（主要為了判斷拉應力是否超標），應力結果如圖2～3所示。

由圖2～3結果可知，先張拉環向預應力鋼絞線的方案1的環向應力和豎向應力均大于其他方案，為最差的方案，且豎向應力超過了混凝土C50的抗拉強度標準值。

其他4種方案中，豎向應力和環向應力均小于混凝土C50的抗拉強度標準值，且張拉完成后的最終應力情況完全一樣。但從應力變化情況可以看出，方案4在預應力依次張拉過程中混凝土截面拉應力相較于其他幾種方案是最小的，為最優方案，即先張拉豎向預應力鋼絞線，再張拉環向預應力鋼絞線，環向預應力鋼絞線的張拉順序為由中間往上下兩端對稱張拉；其次較好的為方案2，先張拉豎向預應力鋼絞線，再張拉環向預應力鋼絞線［3- 4］，環向預應力鋼絞線的張拉順序為由下至上張拉。

圖2　5種方案最大環向應力

圖3　5種方案最大豎向應力

3　罐壁底端加厚研究

實際工程中發現，預應力的施加對罐壁底端影響較大［5- 6］，產生了較大的拉應力，這是施工過程中罐壁底端產生較多混凝土裂紋的主要原因。圖4～5是全部預應力鋼絞線張拉完成后罐壁應力云圖。

由圖4～5可知，張拉完成后罐壁底端環向應力和豎向應力均處于受拉狀態（ANSYS中應力為正表示受拉，為負表示受壓），雙向受拉狀態的罐壁底部非常容易產生裂紋。

要改變該受力狀態，可以在罐壁底部加厚，研究表明罐壁底部受拉應力較大的高度位置大致為0～7 m，因此可以在該位置處加厚。

圖4　張拉完成后罐壁環向應力云圖/MPa

圖5　張拉完成后罐壁豎向應力云圖/MPa

現以罐壁底端加厚200 mm、向上線性減小至7 m的位置加厚為0 mm為例（以下簡稱為底端增厚200 mm情況），建立一個簡化為1/4的模型，研究受力改變情況［8- 9］，其中罐頂與罐壁、罐壁與承臺底板間均采用共節點的連接方式。應力結果如下。

（1）等厚度情況：圖6、圖7分別為罐壁等厚度（650 mm）情況下，預應力張拉完成后的罐壁環向應力和豎向應力。

（2）加厚情況：圖8、圖9分別為罐壁底端增厚200 mm情況下，預應力張拉完成后的罐壁環向應力和豎向應力。

對比上述兩種情況的結果可以發現，罐壁底端增厚200 mm情況，豎向應力能夠降低約25%，應力減小很明顯。在增加混凝土量方面，雖然底端增厚了200 mm，但是增加的厚度是逐漸減小的，且只限于底部7 m高度以內，故增加的混凝土量非常小。

圖6　等壁厚罐壁環向應力云圖/MPa

圖7　等壁厚罐壁豎向應力云圖/MPa

圖8　底部加厚罐壁環向應力云圖/MPa

在某沿海LNG儲罐施工案例中，就是采取了本文方案4界定的預應力張拉順序方案，即先張拉豎向預應力鋼絞線，再張拉環向預應力鋼絞線，環向預應力鋼絞線的張拉順序為由中間往上下兩端對稱張拉的施工順序，并將罐壁底端加厚200 mm，壁厚由原來的600 mm變為800 mm，到7 m高度處線性遞減為600 mm，7 m以上保持600 mm。施工過程中發現罐壁底端只產生了少許微小裂紋，比以往項目的情況要好很多。

圖9　底部加厚罐壁豎向應力云圖/MPa

4　結束語

不同的預應力張拉施工順序對預應力混凝土罐壁的應力分布和混凝土裂紋的發展有著非常重要的影響，本文以混凝土罐壁的受力特性為基礎，結合相關規范的指導性要求，并運用ANSYS有限元軟件進行實體結構建模分析，對不同預應力施工方案進行了全面的分析，提出了簡單易行的最佳解決方案，即先張拉豎向預應力鋼絞線，再由中間向上下兩端對稱張拉環向預應力鋼絞線的施工方案［10- 11］。另外增大罐壁底端截面厚度后確實能有效地控制混凝土裂縫的產生。經實際項目施工驗證，證明本項目研究的結果是準確的，提出的設計解決方案是有效可行的。

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Research on Prestressed Tension Sequence and Bottom Wall Thickened of Outer Concrete Tank of LNGStorage Tank

ZHONG Xi
CNOOC Gas &Power Group，Beijing 100028，China

Abstract：The construction technology of outer prestressed concrete tank of LNG storage tank has been a problem in the terminal construction. It is found in the construction that the different sequence of prestressed tension has a greater impact on the size of cracks in concrete. Stress profile and structure of the concrete tank due to prestressed tension sequence are studied by means of ANSYS software. The forces in the bottom wall of the concrete tank are also analyzed. The improvement measure of thickening the bottom wall is proposed to solve the overstressed problem of prestressed concrete wall in LNG tank design and construction，and the generation of cracks in the concrete wall is effectively controlled.

Keywords：LNG tank；prestressed concrete；prestressed tension sequence；bottom wallthickened；stress analysis

doi:10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.02.003

作者簡介：

鐘曦（1983-），男，江西吉安人，工程師，2009年畢業于同濟大學土木工程專業，碩士，現從事工程項目設計管理方面的工作。

Email: zclq831012@163.com

收稿日期：2015- 08- 03；修回日期：2015- 12- 01