LNG储罐混凝土外罐预应力张拉顺序与罐壁底端加厚研究

钟曦中海石油气电集团有限责任公司，北京　100028



LNG储罐混凝土外罐预应力张拉顺序与罐壁底端加厚研究

钟曦
中海石油气电集团有限责任公司，北京100028

摘要：LNG储罐预应力混凝土外罐建造技术一直是接收站建设中的一个难题。施工中发现不同的预应力张拉顺序对混凝土裂缝的大小有较大影响。借助于ANSYS有限元软件，对LNG预应力混凝土外罐罐壁在不同预应力张拉顺序下的内力分布进行了深入研究，分析了不同的预应力张拉顺序对预应力混凝土储罐结构的影响。并对罐壁底端的受力情况进行了有限元分析，提出了罐壁底端加厚的改进措施，解决了LNG预应力混凝土外罐罐壁预应力设计施工中的应力过大的问题，有效地控制了罐壁底端裂缝的产生。

关键词：LNG储罐；预应力混凝土；预应力张拉顺序；底端加厚；应力分析

全容式LNG储罐混凝土外罐是由圆形承台底板、圆柱形罐壁和穹形罐顶组成的超静定混凝土结构。其中圆形承台底板和穹形罐顶在一般荷载作用下其混凝土截面主要受压或可控性受拉，即强度计算时，通过普通配筋就能满足强度承载力要求。正常使用时这些普通配筋可满足抗裂缝要求，故圆形承台底板和穹形罐顶可不施加预应力，仅采用钢筋混凝土结构即可。而圆柱形罐壁在泄漏荷载下将会竖向受弯、环向轴心受拉；内外罐壁表面的温度差效应将使罐壁竖向和环向都受弯；地震荷载作用将使罐壁竖向和环向均受弯。在上述荷载的组合作用下，罐壁的竖向和环向都会产生很大的拉力，这些力若完全由混凝土自身来抵抗，则截面尺寸会非常大，故可在罐壁的竖向和环向设置预应力来平衡拉力作用，以减小截面尺寸。

目前国内已建和在建的LNG全容储罐设计中并未考虑实际预应力张拉顺序对罐壁结构应力的影响，而是将预应力荷载一次性施加到结构模型中。而圆筒形罐壁在实际预应力容易张拉施工过程中，会在罐壁产生很大的附加应力，易导致罐壁混凝土开裂。本文将利用ANSYS有限元软件，对不同的预应力张拉顺序产生的罐壁混凝土截面附加应力进行计算，得到最优化的预应力施工方案，为实际工程提供设计参考。

1　几何模型

以某3万m3LNG预应力混凝土全容储罐为研究对象，借助ANSYS有限元软件，研究不同的预应力张拉顺序对储罐预应力混凝土罐壁受力情况的影响。外罐罐壁高度为27 m，内罐半径为22.5 m，内外罐之间环形空间为1 m，保冷材料从内罐外壁至混凝土外罐内壁依次为玻璃纤维毯、膨胀珍珠岩，5 m高度以下部分由9%镍钢制成的热保护角、热保护角和外罐之间的泡沫玻璃砖以及钢制内衬组成。预应力混凝土罐壁厚度650 mm，混凝土强度C50，罐壁中竖向预应力钢绞线为90束，环向预应力钢绞线为39束，每束预应力钢绞线施加预应力荷载为1 116 MPa。

在本项目应力分析中建立的实体结构有限元模型［1- 2］，如图1所示。

图1　有限元模型

2　预应力张拉方案研究

根据工程实际设计5种可能的预应力张拉顺序方案，分别为：

方案1：先张拉环向预应力钢绞线，再张拉竖向预应力钢绞线，环向预应力钢绞线的张拉顺序为由上至下依次张拉。

下面4种方案均为先张拉竖向预应力钢绞线，后张拉环向预应力钢绞线，只是环向预应力钢绞线的张拉顺序不同。

方案2：环向预应力钢绞线的张拉顺序由下至上。

方案3：环向预应力钢绞线的张拉顺序由上至下。

方案4：环向预应力钢绞线的张拉顺序由中间往上下两端对称张拉。

方案5：环向预应力钢绞线的张拉顺序由上下两端对称往中间张拉。

用ANSYS模拟以上5种方案，每张拉2束预应力钢绞线提取一次计算结果，该结果为预应力混凝土罐壁的最大环向应力和最大竖向应力（主要为了判断拉应力是否超标），应力结果如图2～3所示。

由图2～3结果可知，先张拉环向预应力钢绞线的方案1的环向应力和竖向应力均大于其他方案，为最差的方案，且竖向应力超过了混凝土C50的抗拉强度标准值。

其他4种方案中，竖向应力和环向应力均小于混凝土C50的抗拉强度标准值，且张拉完成后的最终应力情况完全一样。但从应力变化情况可以看出，方案4在预应力依次张拉过程中混凝土截面拉应力相较于其他几种方案是最小的，为最优方案，即先张拉竖向预应力钢绞线，再张拉环向预应力钢绞线，环向预应力钢绞线的张拉顺序为由中间往上下两端对称张拉；其次较好的为方案2，先张拉竖向预应力钢绞线，再张拉环向预应力钢绞线［3- 4］，环向预应力钢绞线的张拉顺序为由下至上张拉。

图2　5种方案最大环向应力

图3　5种方案最大竖向应力

3　罐壁底端加厚研究

实际工程中发现，预应力的施加对罐壁底端影响较大［5- 6］，产生了较大的拉应力，这是施工过程中罐壁底端产生较多混凝土裂纹的主要原因。图4～5是全部预应力钢绞线张拉完成后罐壁应力云图。

由图4～5可知，张拉完成后罐壁底端环向应力和竖向应力均处于受拉状态（ANSYS中应力为正表示受拉，为负表示受压），双向受拉状态的罐壁底部非常容易产生裂纹。

要改变该受力状态，可以在罐壁底部加厚，研究表明罐壁底部受拉应力较大的高度位置大致为0～7 m，因此可以在该位置处加厚。

图4　张拉完成后罐壁环向应力云图/MPa

图5　张拉完成后罐壁竖向应力云图/MPa

现以罐壁底端加厚200 mm、向上线性减小至7 m的位置加厚为0 mm为例（以下简称为底端增厚200 mm情况），建立一个简化为1/4的模型，研究受力改变情况［8- 9］，其中罐顶与罐壁、罐壁与承台底板间均采用共节点的连接方式。应力结果如下。

（1）等厚度情况：图6、图7分别为罐壁等厚度（650 mm）情况下，预应力张拉完成后的罐壁环向应力和竖向应力。

（2）加厚情况：图8、图9分别为罐壁底端增厚200 mm情况下，预应力张拉完成后的罐壁环向应力和竖向应力。

对比上述两种情况的结果可以发现，罐壁底端增厚200 mm情况，竖向应力能够降低约25%，应力减小很明显。在增加混凝土量方面，虽然底端增厚了200 mm，但是增加的厚度是逐渐减小的，且只限于底部7 m高度以内，故增加的混凝土量非常小。

图6　等壁厚罐壁环向应力云图/MPa

图7　等壁厚罐壁竖向应力云图/MPa

图8　底部加厚罐壁环向应力云图/MPa

在某沿海LNG储罐施工案例中，就是采取了本文方案4界定的预应力张拉顺序方案，即先张拉竖向预应力钢绞线，再张拉环向预应力钢绞线，环向预应力钢绞线的张拉顺序为由中间往上下两端对称张拉的施工顺序，并将罐壁底端加厚200 mm，壁厚由原来的600 mm变为800 mm，到7 m高度处线性递减为600 mm，7 m以上保持600 mm。施工过程中发现罐壁底端只产生了少许微小裂纹，比以往项目的情况要好很多。

图9　底部加厚罐壁竖向应力云图/MPa

4　结束语

不同的预应力张拉施工顺序对预应力混凝土罐壁的应力分布和混凝土裂纹的发展有着非常重要的影响，本文以混凝土罐壁的受力特性为基础，结合相关规范的指导性要求，并运用ANSYS有限元软件进行实体结构建模分析，对不同预应力施工方案进行了全面的分析，提出了简单易行的最佳解决方案，即先张拉竖向预应力钢绞线，再由中间向上下两端对称张拉环向预应力钢绞线的施工方案［10- 11］。另外增大罐壁底端截面厚度后确实能有效地控制混凝土裂缝的产生。经实际项目施工验证，证明本项目研究的结果是准确的，提出的设计解决方案是有效可行的。

参考文献

［1］张云峰，张彬，岳文彤.内罐泄漏条件下LNG混凝土储罐预应力外墙模态分析［J］.大庆石油学院学报，2008（6）：35- 38.

［2］FISCHER D. Dynamic Fluid Effects in Liquid Flexible Cylindrical Tanks［J］.Earthquake Engineering and Structural Dynamics，1979（4）：78- 80.

［3］居荣初，曾心传.弹性结构与液体的耦联振动理论［M］.北京：地震出版社，1983（4）：55- 58.

［4］吕娜娜，谢剑，杨建江.大型LNG低温储罐建造技术综述［J］.特种结构，2010（2）：28- 30.

［5］吴浩，卢云祥.上海LNG储罐外罐的建造方案研究［J］.中国水运，2008（3）：32- 34.

［6］李建军. LNG储罐的建造技术［J］.焊接技术，2006（2）：98- 100.

［7］顾安忠.液化天然气技术［M］.北京：机械工业出版社，2003：102- 103.

［8］周留才.超大型筒仓的发展及其在火电厂的应用概况［J］.电力建设，1999（5）：45- 47.

［9］杨建江，慈芳.大型LNG储罐在高温状态下外壁温度场及应力分布有限元分析［J］.天津大学学报，2012（6）：87- 89.

［10］张永鸿.预应力钢筒混凝土管生产工艺及性能特征［J］.特种结构，2000（1）：31- 33.

［11］SH 3048- 1999，石油化工钢制设备抗震设计规范［S］.

Research on Prestressed Tension Sequence and Bottom Wall Thickened of Outer Concrete Tank of LNGStorage Tank

ZHONG Xi
CNOOC Gas &Power Group，Beijing 100028，China

Abstract：The construction technology of outer prestressed concrete tank of LNG storage tank has been a problem in the terminal construction. It is found in the construction that the different sequence of prestressed tension has a greater impact on the size of cracks in concrete. Stress profile and structure of the concrete tank due to prestressed tension sequence are studied by means of ANSYS software. The forces in the bottom wall of the concrete tank are also analyzed. The improvement measure of thickening the bottom wall is proposed to solve the overstressed problem of prestressed concrete wall in LNG tank design and construction，and the generation of cracks in the concrete wall is effectively controlled.

Keywords：LNG tank；prestressed concrete；prestressed tension sequence；bottom wallthickened；stress analysis

doi:10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.02.003

作者简介：

钟曦（1983-），男，江西吉安人，工程师，2009年毕业于同济大学土木工程专业，硕士，现从事工程项目设计管理方面的工作。

Email: zclq831012@163.com

收稿日期：2015- 08- 03；修回日期：2015- 12- 01