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LNG儲罐混凝土外罐豎向預(yù)應(yīng)力筋的張拉順序

文檔作者：張云峰許麗佳李寧袁朝慶張音文檔來源： 1．東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院 2．東北石油大學(xué)黑龍江省防災(zāi)減災(zāi)及防護工程重點實驗室 3．大慶油田工程建設(shè)有限公司油建公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年02月06日
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大 慶 石 油 學(xué) 院 學(xué) 報
JouRNAL OF DAQING PETROLEUM INSTITUTE
第35卷 第6期 2011年12月
Vo【．35 No．6 Dec． 2011
LNG儲罐混凝土外罐豎向預(yù)應(yīng)力筋的張拉順序
張云峰 ，許麗佳 。，李 寧 ，袁朝慶 ，張 音。
(1．東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318； 2．東北石油大學(xué)黑龍江省防災(zāi)減災(zāi)及防護工程重點實
驗室，黑龍江大慶 163318； 3．大慶油田工程建設(shè)有限公司油建公司，黑龍江大慶163000)
摘要：針對某50 000 m。LNG儲罐(液化天然氣儲罐)外罐豎向預(yù)應(yīng)力筋張拉順序，根據(jù)混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼絞線的
本構(gòu)關(guān)系，應(yīng)用ANSYS有限元軟件，建立LNG儲罐混凝土外罐和預(yù)應(yīng)力鋼絞線有限元模型．通過等效降溫法模擬預(yù)應(yīng)
力筋的張拉，實現(xiàn)四點、三點、二點對稱張拉模擬實驗，在不同張拉方法下得到儲罐外罐應(yīng)力、位移及其變化規(guī)律．結(jié)果表
明：二點對稱張拉應(yīng)力普遍偏小，應(yīng)變與三點對稱張拉相似且低于四點對稱張拉，二點對稱張拉優(yōu)于其他張拉方式．建議
實際LNG儲罐設(shè)計、施工時采用二點對稱張拉豎向預(yù)應(yīng)力筋．
關(guān)鍵詞：LNG儲罐；張拉順序；等效降溫法；對稱張拉；有限元分析
中圖分類號：TE85 文獻標識碼：A 文章編號：1000—1891(2011)06—0085—04
0 引言
隨著世界范圍內(nèi)能源消耗的不斷增長，天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的能源被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)
域．2020年天然氣用量將超越石油，成為世界第一大能源_】]．為滿足液化天然氣儲存的需要，緩解國內(nèi)尤
其是東部沿海地區(qū)液化天然氣的供應(yīng)不足，我國在東部沿海地區(qū)積極建設(shè)和籌備建造液化天然氣接收終
端和貯存設(shè)施．LNG儲罐(液化天然氣儲罐)以其儲量大、占地少，而且具有很好的安全性、穩(wěn)定性和耐久
性等優(yōu)點，成為國際上主要天然氣儲存手段L1]．
在實踐方面，1940年，俄亥俄天然氣公司建立第一座天然氣工廠，并建造3臺LNG球形儲罐．1954
年，出現(xiàn)第一臺用于液氧的不銹鋼雙壁絕熱平底低溫儲槽．從2O世紀50~80年代，雙壁絕熱平底LNG儲
罐容積不斷擴大：60年代為(1～3)X 10 m。，70年代為(5～10)×10 m。，80年代已超過2O×10 m。Ez]．在
理論研究方面，Rostasy F S等研究得出低溫下不同等級的混凝土和鋼筋的強度、彈性模量、線膨脹系數(shù)等
參數(shù)隨溫度的變化趨勢及其相應(yīng)的取值_3]．Jeon S J等研究預(yù)應(yīng)力LNG儲罐的各項結(jié)構(gòu)參數(shù)對結(jié)構(gòu)受力
性能的影響，得出合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)取值_4]．目前，美國、日本、歐盟等已經(jīng)制定專門的規(guī)范和標準[2 ]．我國
的LNG儲罐的建造和設(shè)計處于起步階段，尚無大型液化天然氣貯罐國家標準，也無自行設(shè)計、建造的大
型液化天然氣儲罐，更未掌握液化天然氣核心技術(shù)．對LNG儲罐也缺乏系統(tǒng)的理論分析與研究，特別是
針對外罐預(yù)應(yīng)力張拉工藝方面的研究還很少．對LNG儲罐的研究也主要集中在罐體的抗震，以及儲罐與
儲液的固液耦合問題的研究，對預(yù)應(yīng)力外罐的施工研究甚少．因此，對大型預(yù)應(yīng)力LNG儲罐施工進行分
析與設(shè)計是保證施工安全的首要任務(wù)．
筆者針對我國預(yù)應(yīng)力LNG儲罐設(shè)計研究及施工領(lǐng)域相對落后的現(xiàn)狀，擬對LNG儲罐外罐進行預(yù)應(yīng)
力后張拉模擬試驗，并分析預(yù)應(yīng)力罐體在預(yù)應(yīng)力施加過程中，結(jié)構(gòu)各部分的應(yīng)力、位移響應(yīng)，從而得出正確
的張拉順序，為預(yù)應(yīng)力LNG儲罐施工技術(shù)的改進奠定基礎(chǔ)．
1 工程概況
LNG儲罐(見圖1)容積為50 000 m。，罐體內(nèi)徑為54．800 m，外徑為56．100 m，壁厚為0．650 m，內(nèi)壁
收稿日期：2Ol1—05—12；審稿人：羅敏；編輯：陸雅玲
基金項目：黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(11541002)
作者簡介：張云峰(1966一)，男，博士，教授，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)方面的研究
大慶石油學(xué)院學(xué)報 第35卷2011年
高度為29．300 m，上面形成環(huán)梁及穹頂半徑為54．
800 m，矢高為7．342 m，穹頂厚度為0．400 m．罐體
支承在樁基上，底板厚度為0．900～1．200 m，直徑
為59．100 m．底板與零米地坪架空1．500 m，樁基
采用286根 800PHCAB樁型，樁長為57 mc引．
外罐罐壁采用C4o混凝土；鋼筋布置采用普通
鋼筋與后張法無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋結(jié)合，預(yù)應(yīng)力筋采
用鋼絞線D一15．200 m(D 為直徑)，鋼絞線標準強
度fp k一1 860 N／mm ，鋼絞線設(shè)計強度f。 ===1 320
N／mm ；普通鋼筋采用HRB400級鋼筋r6]．
2 有限元數(shù)值模擬
2．1 假設(shè)條件
2．1．1 材料
預(yù)應(yīng)力混凝土穹項
環(huán)梁
預(yù)應(yīng)力混凝土穹頂
環(huán)梁
檁條 吊頂
預(yù)應(yīng)力混凝土外墻
l
50 000 m。LNG TANK
l
l
I
外墻基礎(chǔ)平臺內(nèi)罐墊層i圭量
保溫材料
鎳鋼內(nèi)罐
圖1 預(yù)應(yīng)力LNG儲罐剖面
所用材料采取非線性彈性理論，認為應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系不再是線性，卸載后沒有殘余應(yīng)變，應(yīng)力狀態(tài)完
全由應(yīng)變狀態(tài)決定．
(1)混凝土．對于單軸受拉狀態(tài)下的混凝土，其破壞準則取拉應(yīng)力達到抗拉設(shè)計強度時為準，而混凝土
受壓的本構(gòu)關(guān)系計算式采用Kent—Park模型的經(jīng)驗公式．
(2)普通鋼筋．假設(shè)混凝土與普通鋼筋之間沒有相對滑移，對鋼筋和混凝土采用整體式方法建立模型．
同時，根據(jù)強度等效原則，將普通鋼筋的體積轉(zhuǎn)化為混凝土的體積．
(3)預(yù)應(yīng)力筋．對預(yù)應(yīng)力鋼筋采用彈性強化模型，屈服前為完全彈性的，屈服后的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系簡化
為平緩的斜直線，取E 一0．01E (E 為屈服前彈性模量， 為屈服后彈性模量)[7-9]．
2．1．2 邊界
(1)假設(shè)儲罐底部與地面固接，罐底任何方向沒有位移．
(2)當施加預(yù)應(yīng)力時，假設(shè)預(yù)應(yīng)力筋端部與混凝土沒有相對移動，即預(yù)應(yīng)力筋沒有內(nèi)縮．
(3)不考慮預(yù)應(yīng)力筋張拉后的應(yīng)力損失Elo-l x]．
2．2 有限元模型
在ANSYS有限元軟件中，混凝土單元類型選擇SOLID65單元，預(yù)應(yīng)力鋼筋單元類型選擇LINK8單
元 一 引．
單元劃分采用映射網(wǎng)格劃分(mapped meshing)，每個單元均為六面體．為實現(xiàn)混凝土和預(yù)應(yīng)力筋的
組合，要求混凝土單元和預(yù)應(yīng)力筋單元共用節(jié)點，采用體分割法或獨立建模耦合法實現(xiàn)．采用獨立建模耦
合法實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力鋼筋和混凝土之間力的傳遞．首先分別建立混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋模型；而后對其進行網(wǎng)格
劃分，使混凝土單元和鋼筋單元共用節(jié)點共同作用；最后對預(yù)應(yīng)力筋采用等效降溫法模擬預(yù)應(yīng)力效應(yīng)．
LNG儲罐外罐罐壁與豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋耦合模型及有限元約束模型見圖2和圖3．
圖2 預(yù)應(yīng)力LNG儲罐耦合模型 圖3 預(yù)應(yīng)力LNG儲罐有限元約束模型
第6期 張云峰等：LNG儲罐混凝土外罐豎向預(yù)應(yīng)力筋的張拉順序
3 豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉實驗
3．1 張拉方案
預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)應(yīng)力荷載通過等效溫度的方式施加．根據(jù)鋼筋熱脹冷縮原理，即鋼筋施加預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生
的變形等于溫度的變化產(chǎn)生的變形，計算公式 ¨ 為
T 一 ， (1)
式中：T為施加的溫度；F為實際施加的力；E為鋼筋彈性模量；A為鋼筋面積； 為鋼筋的線膨脹系數(shù)．
實驗采用四點、三點、二點對稱張拉的3種方案．由于在全罐中配置豎向預(yù)應(yīng)力筋120根，為合理而簡
便地分析其應(yīng)力、位移變化規(guī)律，每種張拉方案都以5根筋為-d,組，四點對稱張拉方案有6組，三點對稱
張拉方案有8組，二點對稱張拉方案有12組．
(1)豎向預(yù)應(yīng)力筋四點順時針對稱張拉方
法見圖4．其中① 標記點處同時張拉預(yù)應(yīng)力
筋，進行數(shù)值模擬，計算得到混凝土的最大應(yīng)
力、位移．接著順時針張拉②標記點預(yù)應(yīng)力筋， ①
然后順時針繼續(xù)張拉，直至所有預(yù)應(yīng)力筋張拉
結(jié)束．
(2)豎向預(yù)應(yīng)力筋三點順時針對稱張拉
方法見圖5，實驗過程同方法(1)．
(3)豎向預(yù)應(yīng)力筋二點順時針對稱張拉方
法見圖6，實驗過程同方法(1)．
．
、
‘
①
(a)同時張拉預(yù)應(yīng)力筋
① <
)
(b)順時針‘張拉預(yù)應(yīng)力筋
圖4 豎向預(yù)應(yīng)力筋順時針四點對稱張拉
①
②
(a)1．j Fl~張拉預(yù)應(yīng)力筋(b)Jlli,~時針張拉預(yù)應(yīng)力筋 (a)同時張拉預(yù)應(yīng)力筋 (b)順時針張拉預(yù)應(yīng)力筋
圖5 豎向預(yù)應(yīng)力筋順時針三點對稱張拉 圖6 豎向預(yù)應(yīng)力筋順時針二點對稱張拉
在實際工程中常規(guī)采用的分步一次加載法是按照整體結(jié)構(gòu)計算模型下，對每個施工步當前累積荷載
一次性加載，進行結(jié)構(gòu)分析，而不考慮之前的施工加
載結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)變化過程的影響．
該方法力學(xué)概念簡單，易于掌握，一般的結(jié)構(gòu)分
析軟件均能計算實現(xiàn)．對預(yù)應(yīng)力筋進行一次張拉，采
用后張無黏結(jié)法、有限元分析等效降溫法，由式(1)及
表1計算得出，初始溫度為0℃ ，降溫至一770℃．
3．2 不同張拉順序結(jié)果
表1 張拉控制應(yīng)力允許值
注：fp k為預(yù)應(yīng)力筋的標準強度
利用ANSYS有限元分析軟件，對豎向預(yù)應(yīng)力筋四點、三點和二點對稱張拉進行模擬實驗，得出不同
張拉方法下，張拉過程中的外罐的最大應(yīng)力與最大位移數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2—4．
3．3 結(jié)果分析
根據(jù)四點、三點、二點對稱張拉順序下最大應(yīng)力、位移計算結(jié)果，繪制圖7和圖8．根據(jù)表2—4及圖7
— 8曲線可以看出：
(1)應(yīng)力方面．第一組筋張拉完成后，二、三、四點對稱張拉下混凝土的最大應(yīng)力為6．93 MPa，在整個
· R7 ‘
大慶石油學(xué)院學(xué)報 第35卷2011年
張拉過程中最大，原因是剛開始張拉時存在應(yīng)力分布集中．由圖7可以看出，二點對稱張拉的最大應(yīng)力降
低較其他方案的快，并且降低后其最大應(yīng)力始終保持在5．8～6．0 MPa之間，比較穩(wěn)定且變化平緩．在預(yù)
應(yīng)力張拉過程中，二點對稱張拉的混凝土應(yīng)力較小，變化穩(wěn)定，對墻體的破壞力要小一些．
表2 豎向四點對稱張拉外罐混凝土最大應(yīng)力、位移
a 最滅位榜／m m
表3 豎向三點對稱張拉外罐混凝土最大應(yīng)力、位移
＼
R
皿礙
0 10 20 3O 4O 5O 6O 7O 8O 9O 100 110 120
張拉預(yù)應(yīng)力筋根數(shù)
圖7 豎向張拉最大應(yīng)力分析曲線
雪1．6
0 1O 20 30 4O 5O 6O 70 80 90 1(30 110 120
張拉預(yù)應(yīng)力筋根數(shù)
圖8 豎向張拉最大位移分析曲線
(2)位移變形方面．在張拉第一組預(yù)應(yīng)力筋之后，3種張拉方案的最大位移幾乎相同．四點對稱張拉的
最大位移出現(xiàn)在張拉6O根預(yù)應(yīng)力鋼筋時(張拉第3組預(yù)應(yīng)力筋)，為1．658 mm；三點對稱張拉的最大位移
出現(xiàn)在張拉45根預(yù)應(yīng)力鋼筋時(張拉第3組預(yù)應(yīng)力筋)，為1．634 mm；二點對稱張拉的最大位移出現(xiàn)在張
拉30根預(yù)應(yīng)力鋼筋時(張拉第3組預(yù)應(yīng)力筋)，為1．628 mm．縱向?qū)Ρ?種張拉方案，張拉過程中四點對
稱張拉彎管混凝土位移較其他方案的偏高．因此，從變形角度分析，二點、三點對稱張拉優(yōu)于四點對稱
張拉．
4 結(jié)論
(1)應(yīng)用ANSYS有限元軟件模擬分析LNG儲罐外罐壁的應(yīng)力、位移，對預(yù)應(yīng)力筋的張拉采用等效降
溫法進行模擬．對比四點、三點、二點張拉下混凝土的最大應(yīng)力、位移曲線，不同張拉順序下，應(yīng)力、位移最
終趨于相同，只是在張拉過程中，應(yīng)力、位移不同，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響也不同．
(2)無論哪種張拉方式，在預(yù)應(yīng)力張拉過程中，外罐混凝土最大應(yīng)力均不超過7 MPa，僅為抗壓標準強
度(19．1 MPa)的37 9，6．因此，在實際工程中建議對外罐提前張拉預(yù)應(yīng)力筋，即當混凝土達到75 抗壓標
準強度時開始張拉預(yù)應(yīng)力筋．
(3)現(xiàn)場施工時，四點對稱張拉需要的人工、設(shè)備多，但是工期短；二點對稱張拉與其正好相反．因此，
綜合考慮最大應(yīng)力、位移的變化，人工、設(shè)備、時間、操作面等情況，豎向二點張拉更符合現(xiàn)場實際施工
順序．
攀
攀
一一一∞ ∞∞ ∞∞ m m
第6期 張云峰等：LNG儲罐混凝土外罐豎向預(yù)應(yīng)力筋的張拉順序
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《大慶石油學(xué)院學(xué)報 編輯部
任志平獲評優(yōu)秀編輯獎
受教育部科技司委托，由中國高校科技期刊研究會承辦的“2011年中國高?？萍计诳瘍?yōu)秀團隊和優(yōu)
秀個人評選活動”結(jié)束．該活動共評選高?？萍计诳瘍?yōu)秀團隊50個、杰出主編30位、優(yōu)秀編輯7O名．其中
《大慶石油學(xué)院學(xué)報》編輯部任志平同志獲評優(yōu)秀編輯獎．
《大慶石油學(xué)院學(xué)報》編輯部
· 89 ·

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