LNG储罐承台大体积混凝土裂缝控制技术研究

钟 曦

中海石油气电集团有限责任公司，北京 100028

大体积混凝土防裂是土建结构施工中的主要难题。大体积混凝土在熟化过程中产生的水化热会使混凝土内部温度短时间内急剧升高，往往会导致大体积混凝土产生裂纹、裂缝，严重时可能产生贯穿缝。尤其在热带地区，混凝土入模温度往往会高于规范规定的上限，使混凝土早期热裂的可能性更大[1-2]。

在中国海油南方某已建LNG 储罐施工过程中，通过突破混凝土配合比中水泥用量的下限以冲抵混凝土内部的热应力，结合科学的分析方法给混凝土内部增加抗裂钢筋实现防裂[3-4]，此次尝试达到了预期目的。

1 LNG储罐承台底板结构

该LNG 全容储罐的底板直径82.72 m、面积5 374 m2、混凝土用量6214m3。底板外圈区（3 圈）由212 根直径1.2 m 的钢筋混凝土灌注桩支承；中心区由216 根直径1.2 m 的钢筋混凝土灌注桩支承，正交十字形布置。中心区底板厚1.1 m，架空1.7 m；外圈区底板厚1.3 m，架空1.5 m。

承台底板混凝土浇筑采用分区跳仓法施工，按照1 ～5 区的顺序依次进行（见图1）。中心区混凝土用量990 m3，外围四个区中每个区的混凝土用量均为1 306 m3。

由于施工现场陆域形成时吹砂量有余量，故在施工组织设计阶段进行承台底板施工时就尝试使用砂胎模板工艺，其工艺安排见图2。该工艺避免了常规钢支架模板费用，且砂胎模板具有天然的保温性能，因此有利于混凝土养护阶段的保温保湿，有利于减少温度裂缝[5]。

图1 承台底板混凝土浇筑分区

图2 承台底板局部剖面

2 建模及研究对象设定

建模及研究的目的是基于自然环境、施工材料、施工工艺等因素提取参数，使用有限元软件对大体积混凝土早期熟化过程中水化热产生的情况进行模拟热工分析，根据分析结果得出需采取的相应防裂措施。

2.1 研究对象设定

混凝土早期的热应力分析采用三维建模法，这里选取最具代表性、最不利条件下的底板1/4 模型作为分析对象（如图3 所示），所有影响混凝土绝热温升的因素都根据现场实际施工情况来设定[6]。

在参数设定时，将底板下面的混凝土灌注桩头和压实的回填砂（胎模） 看作固定不动的整体。

2.2 有限元软件

混凝土早期的热应力分析所使用的有限元软件ANSYS 能够模拟混凝土结构瞬态导热并进行应力分析，能够模拟混凝土在熟化过程中内部温度变化的情况、材料性能的温度依赖性和时间依赖性、混凝土浇筑中边界因素的变化和边界条件的变化以及裂缝的产生机理[7]。

图3 典型工况分析模型

2.3 混凝土龄期

与新浇筑混凝土接触的旧混凝土，其龄期是影响混凝土裂缝产生的原因之一。用于分析的旧混凝土龄期是根据施工进度计划（见表1） 确定的，在充分考虑了混凝土材料熟化差异性的情况下，选择包括承台底板1、2、5 区各一部分的典型区块作为分析对象。

表1 混凝土浇筑计划

3 分析参数设定

3.1 混凝土配合比

经反复试配并测温验证，最终选择了如表2 所示的混凝土配合比。

表2 用于热应力分析的混凝土配合比

该配合比突破了规范JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》对C50 混凝土的水泥最小用量规定的下限（330 kg/m3） 的要求，且通过增加矿粉和粉煤灰使胶凝材料总量超过了规范建议的上限（480 kg/m3）。考量原因：第一，降低了混凝土的水化热总量，尽量使混凝土内部最高温度不超过80 ℃；第二，保证了混凝土的强度；第三，提高了混凝土水胶比，和易性更好，有利于泵送作业。

表3 底板混凝土的特征值[8]

3.2 材料性能

根据承台底板所用混凝土原材料检测结果分析得到的混凝土物理力学性能见表3，其绝热温升如图4 所示。

表4 底板混凝土的热学性能

图4 底板混凝土绝热温升

3.3 传热系数

有限元软件分析所用的热传递系数的输入值见表5。

表5 热传递系数

4 模型热裂分析

4.1 混凝土温度

热分析结果见图5，该云图显示的是混凝土内每个节点的最高温度。混凝土入模温度（实测值）为30.5 ℃，混凝土升降温过程见图6。

图5 混凝土温度分布云图

图6 混凝土升降温过程

4.2 热应力分析

1 区的热应力分析结果如图7 所示：X 和Y 方向的热应力小于混凝土抗拉强度（2.64 MPa），仅需正常养护，无需采取其他措施。

2 区的热应力分析结果如图8 所示：X 方向沿旧施工缝处的热应力超过了混凝土的抗拉强度，Y方向的热应力小于混凝土的抗拉强度。

图7 1 区混凝土热应力

图8 2 区混凝土热应力

5 区的热应力分析结果如图9 所示：在旧施工缝附近沿X 方向，混凝土内部产生的热应力超过了混凝土的抗拉强度（局部5 MPa）；与2 区相接的施工缝附近沿Y 方向，混凝土内部产生的热应力也超过了混凝土的抗拉强度。

Z 轴：承台底板满布了φ16@450 的拉结筋，且在抗热裂钢筋排距225 mm 的范围内增加了φ16@450 的拉结筋。Z 轴的任意区域拉结筋横截面积均与X、Y 轴在同一区域纵截面面积相同，故无需重复计算。

综上分析，混凝土内部因绝热温升而引起的拉应力超过混凝土自身抗拉强度的区域（见图10） 主要分布在：第一，后浇筑的2 ～5 区内与邻近1 区旧施工缝平行的6 500 mm 范围内；第二，4、5 区内与2、3 区旧混凝土施工缝平行的5 200 mm 范围内。

图9 5 区混凝土热应力

图10 早期混凝土内部拉应力较大区域分布

5 抗热裂钢筋数量计算

2 区X 方向、5 区X 和Y 方向早期抗热裂钢筋的数量计算分别见图11 ～13。计算时，钢筋的允许最大拉应力保守取值100 MPa。

图11 2 区X 方向附加钢筋计算

图12 5 区X 方向附加钢筋计算

图13 5 区Y 方向附加钢筋计算

6 结束语

施工完成后，经短期（14 d） 和长期（9 个月） 观察，储罐承台底板的上、下表面均未发现裂缝，达到了预期目的。因此，合理突破混凝土配合比中水泥用量下限的规定以降低水化热，并经有限元软件分析计算，在混凝土内部增加抗热裂缝钢筋，对控制大体量、大体积混凝土在热带地区高温施工环境下有害裂缝的产生是有效的。