LNG储罐混凝土外罐环向预应力筋的张拉顺序

李 文， 张金晶， 李 宁， 王金国， 杨云艳

( 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. 大庆油田工程有限公司，黑龙江 大庆 163712； 4. 大庆油田有限责任公司 第九采油厂，黑龙江 大庆 163000 )

0 引言

液化天然气(Liquified Natural Gas ，LNG)储罐作为一种清洁、经济的能源在世界能源体系中地位日益重要.由于石油资源的消耗殆尽，21世纪将成为“天然气的世纪”[1].将天然气液化对天然气的储存和运输具有明显的优越性.液化天然气具有便于经济可靠的远距离运输，储存效率高，占地少，便于供气负荷的调节，储存规模易于大型化等优点.液化天然气储罐是天然气接收站的主要设施，保证液化天然气储罐的正常运行是天然气接收站正常运转的关键[2].

国外对LNG储罐内罐进行研究，而对于外罐研究较少.Jeon S J等研究预应力LNG储罐的各项结构参数对结构的受力性能的影响，得出合理的结构参数取值[3].Rostasy F S等证明预应力钢筋混凝土在低温下有良好的受力性能，并且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[4].在外墙预应力筋设计方面，法国索菲公司积累丰富的设计经验和现场施工经验.国内对LNG储罐的研究刚刚起步，项忠权对储罐类结构的抗震问题进行研究[5]；翁智远以核动力工程中的反应堆容器为对象，对其液固耦合振动以及抗屈曲理论等进行研究[6].张云峰等采用橡胶支座对储罐的隔振效果进行分析[7].国内缺乏对其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.

笔者拟对LNG储罐外罐进行预应力后张拉模拟实验，并得出预应力罐体在预应力自上向下和自下向上不同顺序施加过程中，外罐的应力、位移及其变化规律，得出外罐预应力的正确张拉顺序，为预应力LNG储罐的施工方法提供依据.

1 工程概况

LNG储罐尺寸大小及所用材料见文献[8].

2 有限元模型

2.1 假设条件

文中材料与边界假设与文献[8]相同.

2.2 建立

文中所取有限元单元、对预应力筋进行等效降温法的过程和方法与文献[8]相同.

在进行环向张拉时，根据结构和荷载的对称性，取罐壁的1/4部分进行建模，在其两侧边加上对称约束，以消除切向位移的影响.LNG储罐外罐罐壁与环向预应力钢筋耦合模型及有限元约束模型见图1和图2[9-10].

图1 预应力LNG储罐耦合模型

图2 预应力LNG储罐有限元约束模型

3 环向预应力钢筋张拉实验

3.1 张拉方案

对预应力筋进行一次张拉，采用等效降温法模拟无黏结预应力筋的张拉，取张拉控制应力σcon= 0.75fptk(fptk为预应力筋的标准强度)，取初始温度为0 ℃，降温至-770 ℃[8,11-13].

环向预应力筋分别从底部向上和从顶部向下依次张拉.环向预应力筋共配置41根，均匀分布在外罐墙体中.

3.2 不同张拉顺序数据

表1 环向张拉外罐混凝土最大应力、位移

利用ANSYS有限元软件对LNG外罐壁进行张拉预应力筋模拟实验.自下向上张拉预应力筋时，由底部开始张拉第一束预应力筋，计算外罐混凝土的最大应力及位移；然后依次张拉至1/4、1/3、1/2、2/3、3/4部位以及顶部，分别计算混凝土的最大应力和位移.自上向下张拉过程与之相反.计算结果见表1[14-16].

3.3 结果分析

根据自上向下和自下向上张拉情况下混凝土的最大应力及位移绘制图3和图4.根据表1及图3-4曲线可以看出：

(1)应力方面.自下向上或自上向下不同张拉顺序的方案最大应力接近，即当最终施加全部预应力筋的应力后，外罐混凝土的最大应力基本相同.张拉过程中，最大应力均符合材料强度的要求，同时也符合《钢筋混凝土规范》的要求.在不同张拉顺序方案中，自下向上张拉时，当张拉至外罐1/4高度处，外罐的应力达到较大(5.51 MPa)；当张拉高度在外罐1/4～1/3之间时最大应力达到一个峰值；之后外罐应力曲线呈一个平缓的下坡.自上向下张拉时，应力峰值出现在最终张拉结束之时.在张拉过程中，应力保持在较低的数值(相对自下而上方案).从应力角度分析，自上向下的顺序张拉预应力筋的方案对结构影响较小，结构处于更安全的状态.

(2)位移变形方面.自下向上或自上向下张拉顺序的方案曲线近似重合，变形从开始张拉至张拉完成1/2时，其变形呈上升趋势；当张拉完成1/2之后，变形不再增大，变形曲线近似一条水平线.

图3 环向张拉最大应力分析曲线

图4 环向张拉最大位移分析曲线

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、位移响应，对预应力筋的张拉采用等效降温法进行模拟.对比分析自下向上和自上向下最大应力、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)张拉过程中(除起始和终止点外)应力变化稳定，无明显波动.且除起始和终止点外，由下向上张拉平均应力为5.52 MPa，由上向下张拉平均应力为3.89 MPa，由上向下张拉比由下向上张拉混凝土的应力小42%.张拉过程中，最大应力峰值为5.68 MPa，只有混凝土抗压设计强度(19.1 MPa)的30%.因此，无论是由上向下还是由下向上张拉，建议浇筑完混凝土后，待混凝土强度达到75%的抗压标准强度时，即可张拉预应力筋.

(3)现场施工时，自下向上方案优于自上向下方案.自上向下施工过程中外罐混凝土应力普遍偏小；位移基本相同，自上向下方案优于自下向上方案.因此，若在现场施工工期无特别规定时，建议采用自上向下的施工方案.