某LNG儲罐用超低溫預應力體系管道摩阻試驗研究

溫朝臣 盧雙桂 劉進 蔣業東

【摘 要】預應力張拉作為LNG儲罐預應力結構施工過程中的關鍵環節，是在結構中建立有效預應力作用的唯一工序，而預應力張拉控制力的計算精度直接決定預應力構件在完成預應力施工后結構中留存的永久預應力。為了保證設計力的精確度，需要通過預應力管道摩阻試驗，確定理論計算和試驗實測所得的預應力摩擦損失之間的差距，并以此作為重新校核調整預應力張拉控制應力的依據，從而真正建立設計所需的有效應力。文章著重對某LNG儲罐工程用超低溫預應力錨固體系的摩阻損失試驗研究及結果進行論述，為后續其他工程進行該類型試驗提供參考。

【關鍵詞】LNG儲罐;超低溫預應力體系;預應力管道摩阻試驗

【中圖分類號】TK172.4 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）06-0029-03

0 引言

隨著環境污染問題日趨嚴重，國家提高了各種污染源的治理力度，并大力推行安全、清潔、優質的能源戰略。天然氣作為一種清潔度極高的能源，開始得到大力推廣和應用，其在能源使用中的占比也越來越高，運輸、儲存成為戰略推廣中亟待解決的問題，同時常規的天然氣體積非常大，為了降低成本，需要將常規氣體溫度降低到-165 ℃后液化儲藏，LNG（液化天然氣的英文縮寫）混凝土外罐作為LNG接收站工程的關鍵，其安全性、耐久性、剛度及失拱度備受關注，目前常用的混凝土外罐加固措施為增加超低溫預應力錨固體系結構設計，并通過對稱張拉等相關預應力施工工序，在結構中建立有效預應力。

1 預應力管道摩阻試驗

1.1 預應力管道摩阻試驗意義

通過預應力管道的摩阻損失試驗，可以在張拉施工前有效校準預埋管道的摩擦損失影響參數，為預應力張拉理論提供依據。如果水平管道的控制張拉力參照曲線管道的控制應力，可能會出現局部超張拉應力，使得LNG混凝土外罐的實際反拱度大于設計反拱度，給施工帶來一定風險;考慮摩擦阻力偏小時，又使得張拉控制力設計偏小，導致預應力結構中獲得有效預應力不足，從而影響LNG混凝土外罐的質量和安全性。為驗證某LNG儲罐工程預應力管道摩擦損失影響參數的取值是否合理，需要通過預應力管道摩阻損失試驗進行驗證。本文主要論述該試驗的具體方法及結果，為后續其他工程進行同類型試驗提供參考。

1.2 預應力管道摩阻試驗

1.2.1 試驗前分析及內容

1.2.1.1 試驗前分析

本次預應力管道摩阻損失試驗擬在某LNG儲罐工程進行正式預應力施工前進行，試驗前先進行如下分析工作。

（1）對工程構件結構進行分析。某LNG儲罐為16萬m3儲量的儲罐，混凝土外罐采用后張法有黏結預應力體系鋼筋混凝土結構，外罐底板直徑為88.8 m，厚度為0.8 m，混凝土筒體內直徑為φ82 m，外直徑為φ83.6 m，筒體墻高40 m，筒體壁厚0.8 m，筒體墻的四周均勻布置4個扶壁柱。預應力鋼絞線束布置在筒體墻和扶壁柱內，由筒體墻環向水平鋼絞線束、筒體墻豎向鋼絞線束和扶壁柱豎向鋼絞線束組成。筒體墻水平預應力鋼絞線束繞筒體墻半圈，對應的兩束形成一圈水平布置在筒體墻內，分別錨固在對稱的4個扶壁柱上，每束長約131 m。筒體墻豎向預應力鋼絞線束一端錨固在筒體墻頂部的環梁上，另一端錨固在罐體底板內，每束長約41 m。筒體墻扶壁柱內豎向預應力鋼絞線束共有8束，一端錨固在扶壁柱頂部，另一端錨固在扶壁柱底部，每束長約39 m。

（2）結合以上LNG儲罐工程結構特征可知，其布設的預應力束分為水平環向曲線束和豎向直線束兩種。對產生摩阻損失的因素進行分析，其主要存在以下幾個方面：？譹？訛預應力管道的安裝偏差。在布設預應力管道時，會存在一定的安裝公差，而且澆筑混凝土時也會導致預應力管道偏移走位。管道產生位置偏差后會使張拉時產生摩阻損失[1]。？譺？訛鋼絞線之間的摩擦損失。在LNG儲罐工程中通常采用單根穿束的方式進行穿束，不可避免的存在部分鋼絞線打絞的現象，鋼絞線打絞后再進行預應力張拉時會相互摩擦產生摩組;環向水平曲線束的鋼絞線因自重下墜亦會相互接觸摩擦產生摩阻。？譻？訛鋼絞線同預應力管道內壁接觸產生摩阻損失。不論環向水平曲線束還是豎向直線束都會與預應力管道內壁相互接觸產生摩擦損失;而對于環向水平曲線束，還存在預應力筋對預應力管道內壁徑向垂直擠壓力所引起的摩擦損失，該摩阻損失力較大，會隨著鋼絞線彎曲角度之和成比例增加。？譼？訛與預應力束的長度相關，兩者成正比的關系。？譽？訛與預應力管道內壁及鋼絞線表面的光潔度相關，此兩者摩擦系數越大，產生的預應力損失也越大。

（3）根據工程項目的技術文件、《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T 3650—2020）[1]及《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG/T 3362—2018）[2]，經過分析，認為本LNG工程儲罐預應力施工的關鍵是如何按設計要求建立有效的預壓應力以平衡各種不利工況作用下儲罐產生的不利應力。通常情況下，預應力專業施工單位在實際工程中均按照預應力施工圖紙進行施工，其中張拉控制應力由設計單位提供，設計單位根據結構產生的內應力進行相應配筋且預應力有效應力也是根據相關規范的公式進行計算，但這個預應力有效應力常常與施工中實際產生的有效應力存在偏差，因此為了建立設計所需的有效應力，就需要通過試驗即預應力管道摩阻試驗（現場或試驗室試驗）采集數據求導出準確的μ和k值，然后根據公式計算出預應力管道摩阻損失，進一步確定建立設計所需的有效應力相對應的張拉控制應力。

（4）針對該LNG項目儲罐的預應力而言，由于按實體筒壁進行測試預應力管道摩阻損失值只能推導出kx+μθ的組值，而不能求導出μ和k的唯一值，因此需要通過3組預應力直線構件試驗測出管道摩阻損失值，直線管道的摩阻損失中θ值為0，可以直接求出k值，然后在實體筒壁測試預應力管道摩阻損失值時就可以求出μ值。并且在試驗前，要事先在地上同一直線上用混凝土澆筑一段用于試驗用混凝土構件，在澆筑時把3根預應力波紋管和錨座埋在構件中間位置，用于測試k值。

1.2.1.2 試驗內容

試驗的內容主要有管道摩阻損失系數，即在預應力筋張拉時，在預應力筋穿過的預留管道中，由于預應力筋與管道之間摩擦所產生的比例系數與管道摩擦損失、管道曲線起彎角度、預留管道位置偏差等相關，因此管道摩阻損失系數包含預應力鋼筋與管道壁之間的摩擦系數μ和管道局部偏擺系數（或叫局部偏差摩擦系數）k。

試驗步驟如下：首先通過澆筑好的混凝土構件測量出k值，其次測量水平環向曲線束的μ值。由于水平環形曲線束摩阻損失影響因素較豎向直線束多，管道長度大，因此選取工程中兩束水平環向曲線束進行摩阻損失試驗，分別為A束及B束。

1.2.2 試驗的具體過程

（1）取若干根工程中使用的1×7-15.7-1860鋼絞線和若干套19孔錨具。試驗前，把已下好料的鋼絞線采用人工穿束的方式穿入波紋管內，兩端套上錨具，安裝錨具時需確保其同預應力束同軸對中，然后呈水平放置在預先澆筑好的混凝土構件內，兩端各留出2 m左右的長度，用于安裝試驗用測力傳感器和張拉千斤頂。

（2）在兩端分別安裝測力傳感器，安裝完測力傳感器后再安裝千斤頂，一端張拉一端錨固，進行分級張拉，張拉測試前需檢查測力傳感器和張拉設備性能是否完好，確定測試設備和張拉設備性能良好后再進行張拉作業和測試，安裝時需確保張拉工具及設備與預應力束同軸對中。通過張拉端與固定端測力傳感器之預應力差值即為管道摩阻損失值，利用直線的測試數據求導出k值。

（3）每個直線束管道均測量3組數據，取平均值，張拉控制應力為0.8 Fptk，兩端先同時張拉到控制應力的10%，然后一端主動張拉，另一端被動張拉，主動端分級張拉至20%、40%、60%、80%、100%的張拉控制應力，每個荷載等級都測量兩個測力傳感器之間的讀數差，即為該荷載等級下的摩擦損失，各等級的讀數差就是此次試驗的數值采樣點，據此計算k值。

（4）將測試出來的k值用于測試實體儲罐環向水平預應力管道摩阻損失值。每個管道也分別進行3組試驗，取平均值，張拉控制應力為0.8 Fptk，兩端先張拉到控制應力的10%，然后一端主動張拉，另一端被動張拉，主動端分級張拉至20%、40%、60%、80%、100%的張拉控制應力，每個荷載等級都測量兩個測力傳感器之間的讀數差，即為該荷載等級下的摩擦損失，各等級的讀數差就是此次試驗的數值采樣點，據此計算μ值。

1.3 預應力管道摩擦損失計算依據

對于后張預應力混凝土構件，鋼絞線與預應力管道內壁之間摩擦引起的預應力損失，可依據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）6.2.2條要求進行驗證，計算公式如下：

σl1=σcon[1-e-（ μθ+kx）]

公式中：σl1為預應力筋與管道壁之間的摩擦損失應力值;σcon為預應力筋張拉控制應力值;μ為預應力鋼筋與管道的摩擦系數;θ為從張拉端至計算截面曲線管道部分切線的夾角之和（rad）;k為管道每米局部偏差對摩擦的影響系數;x為從張拉端至計算截面的管道長度（m）[2]。

體外預應力鋼絞線和管道壁之間摩擦引起的預應力損失僅計算現裝置和錨固裝置管道段，系數k和μ宜根據實測數據確定;當無可靠實測數據時，系數k和μ按照表1取值。對于系數μ，無黏結鋼絞線取括號內數值，光面鋼絞線取括號外數值。

1.4 試驗結果分析校核

根據以上實驗方案中的試驗和計算方法，并結合工程及試驗情況，按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）第6.2.2條進行校核計算。k值已通過預應力直線構件管道摩阻試驗實測計算得0.001 5，實測出A束和B束被動端預應力值分別為1 908 kN及1 757 kN，σcon值、θ值及x值結合工程設計參數直接計算得出，將以上數據代入公式中進行計算，求導出A束及B束的摩擦系數μ。

σl1=σcon[1-e-（ μθ+kx）]

式中：σl1為預應力筋與管道壁之間的摩擦損失應力值：？墜l1'=4 240.8-1 908=2 332.8 kN（A束）;？墜l1"=4 240.8-1 757=2 483.8 kN（B束）。σcon為預應力筋張拉控制應力值：δcon=19×279×0.8=4 240.8 kN。μ為預應力鋼筋與管道的摩擦系數;θ為從張拉端至計算截面曲線管道部分切線的夾角之和（rad），θ=3.351 rad;k為管道每米局部偏差對摩擦的影響系數，k=0.001 5;x為從張拉端至計算截面的管道長度（m），x=131 m。

將各參數代入上述計算公式中，得：

μ'=0.179 6? （A束）;μ"=0.204 3? （B束）。

參照表1中體內預應力筋、預埋金屬波紋管及鋼絞線對應的k值和μ值，其理論值分別為0.001 5及0.20～0.25，將實測值與理論值進行對比，結果較為優異，可判定LNG儲罐工程環向水平曲線束摩阻損失值為合理。

2 結語

通過對某LNG儲罐工程的預應力管道摩阻損失試驗結果進行分析可知：？譹？訛超低溫預應力體系在相同的張拉預應力下，對比其在有管道摩阻及無管道摩阻的條件下，實測鋼絞線的伸長量存在較大差異;造成預應力管道摩阻損失的因素較多，主要包含預應力管道布設方式、管道內壁光潔度、管道長度、管道安裝精度、鋼絞線表面光潔度、鋼絞線在管道內的安裝情況、施工規范性等因素，在諸多因素的影響下，同樣設計條件下的預應力管道實測摩擦系數亦不相同。

鑒于預應力管道的摩阻損失對工程結構安全性影響極大，因此為了合理控制LNG混凝土外罐的施工質量，保證其獲得設計有效應力，通過管道的摩阻損失試驗測算出精確的摩阻損失值是非常有必要的。

參 考 文 獻

[1]JTG/T 3650—2020，公路橋涵施工技術規范[S].

[2]JTG 3362—2018，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].