LNG 储罐预应力钢绞线束伸长值计算方法探讨

文小锋

(中国石化集团洛阳石油化工工程公司，河南洛阳 471003)

1 概述

在中国经济快速发展的同时，为保障经济的能源动力却极度紧缺，液化天然气(LNG)作为一种清洁、高效、方便、安全的能源，其产业的发展在中国的能源市场已越来越受到重视。16万m3LNG全容罐是国内接收站项目中最常用的储罐类型之一，其内罐为9%镍钢筒，外罐为后张法预应力钢筋混凝土结构，墙厚800 mm，墙内壁半径41 m，设计温度为－165℃。

下面以16万m3储罐为例，详细介绍LNG储罐外墙内竖向和环向预应力钢束理论伸长值的精确计算方法。

2 预应力设计条件

2.1 预应力材料特性

预应力钢束及锚具均按德国DYWIDAG公司产品采用，标准抗拉强度fpk=1 860 MPa，弹性模量Ep=195 GPa，考虑锚具及千斤顶2%的瞬时摩擦损失;单根钢绞线截面积A=150 mm2，竖向钢束每束12根As=1 800 mm2，张拉控制应力δk=1 467 MPa;环向钢束每束19根Ah=2 850 mm2，张拉控制应力δk=1 488 MPa。

2.2 预应力张拉控制

混凝土强度达到90%设计强度后方可进行预应力钢束张拉，张拉程序为:0→0.2δk(读初读数)→1.0δk(持荷 2 min，测最后伸长值)→锚固回油放松。预应力施工过程中最大张拉力:竖向钢束 Fs=2 640.6 kN;环向钢束 Fh=4 240.8 kN。

2.3 预应力钢束布置

如图1所示，竖向钢束从檐梁顶到承台底总长为40.889 m，间距1.811 m，其在承台底部锚固，檐梁顶为张拉端;环向钢束每根为180°半圆，两根组成一组，对称布置成一个圆周，在均布的四个扶壁上锚固，两端张拉，取1/4圆周计算，半根长度为67.2 m，其中直线段长2 m，反曲线段长2 m，反向总曲率4.61°，正曲线段长63.2 m，正向总曲率87.24°，由于环向钢束在储罐外墙高度范围内间距不等，此处取间距0.4 m时计算。

2.4 分段计算钢束理论伸长值

考虑国内没有LNG储罐设计规范，为方便计算，伸长值采用国外规范要求分段计算。竖向钢束为直线，张拉端为A点，锚固端为E点，中间B，C，D点4等分钢束;环向钢束张拉端为A点，直线段端部为B点，反曲线段末端为C点，钢束正曲线段中点(计算末端)为H点，中间D，E，F，G点5等分正曲线段。

3 钢束理论伸长值分段计算

3.1 总伸长值

3.2 预应力钢束伸长值ΔLp

其中，Px，0为距张拉端任一点 x 处的预应力值，且 Px，0=P0·e－μ(θ+k·Lp)，P0为起始端部施加预应力，θ为从起始端至计算截面曲线孔道各部分切线的夹角之和，rad，μ为预应力筋与孔道壁之间的摩擦系数，μ=0.19，k为孔道每米长度局部偏差的摩擦系数，k=0.005 79;Lp为钢束长度;Ap为钢束横截面积。计算结果见表1，表 2。

表1 竖向钢束伸长值ΔLp计算

表2 环向钢束伸长值ΔLp计算

3.3 混凝土弹性变形ΔLc

其中，σcm为预应力钢束中心处由预应力在混凝土横截面上产生的平均应力;Lc为混凝土杆件长度。

混凝土弹性变形ΔLc计算结果见表3。

表3 混凝土弹性变形ΔLc计算

3.4 锚板及固定端的夹片滑移造成的伸长值总和ΔLsl

根据DYWIDAG公司相关说明书:张拉端锚具滑移为1 mm，固定端锚具滑移为6 mm，故总滑移量为7 mm。

3.5 千斤顶及台座内伸长值ΔLe

其中，P为千斤顶张拉力;Le为千斤顶及台座内钢束长度。千斤顶及台座内伸长值ΔLe计算结果见表4。

表4 千斤顶及台座内伸长值ΔLe计算

因此可以得到各预应力钢束总的伸长值，竖向为294.78+1.92+7+5.27=308.97;环向为 838.56+39.25+7+6.1=890.91 mm。

4 结语

预应力技术在LNG储罐设计中非常重要，国内规范预应力筋伸长值计算公式只考虑了钢束在自身平均应力作用下的伸长值，没有考虑混凝土弹性变形值、锚具滑移量、千斤顶及台座内的伸长值，从上面计算中我们可知，该三项值占总伸长值的百分比分别为:竖向4.60%，环向5.88%;虽然其所占比例较小，但是由于实测伸长值与理论伸长值的差值应控制在6%以内，如果忽略该三项的值，就比较容易造成理论伸长值与实测伸长值超过规范要求的状况。因此，在钢束张拉过程中，出现伸长值超规范要求时，要核对理论伸长值计算方法是否精确。当然，这只是其中的一个原因，另外还需对张拉器具、仪表读数校验、钢绞线质量以及操作程序等因素进行检查，只有逐项分析找出真正的原因，才能确保LNG储罐预应力施工的质量。

[1] JTG/T F50-2011，公路桥涵施工技术规范[S].

[2] BS EN 1992-1-1:2004，Eurocode 2:Design of concrete structures[S].

[3] http://www.dywidag-systems.com/downloads.DYWIDAG Bonded Post-Tensioning Systems using Strands.

[4] 曲线预应力钢绞线理论伸长值分段计算探讨[J].预应力技术，2007(5):8-10，13.