某LNG储罐用超低温预应力体系管道摩阻试验研究

温朝臣 卢双桂 刘进 蒋业东

【摘 要】预应力张拉作为LNG储罐预应力结构施工过程中的关键环节，是在结构中建立有效预应力作用的唯一工序，而预应力张拉控制力的计算精度直接决定预应力构件在完成预应力施工后结构中留存的永久预应力。为了保证设计力的精确度，需要通过预应力管道摩阻试验，确定理论计算和试验实测所得的预应力摩擦损失之间的差距，并以此作为重新校核调整预应力张拉控制应力的依据，从而真正建立设计所需的有效应力。文章着重对某LNG储罐工程用超低温预应力锚固体系的摩阻损失试验研究及结果进行论述，为后续其他工程进行该类型试验提供参考。

【关键词】LNG储罐;超低温预应力体系;预应力管道摩阻试验

【中图分类号】TK172.4 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）06-0029-03

0 引言

随着环境污染问题日趋严重，国家提高了各种污染源的治理力度，并大力推行安全、清洁、优质的能源战略。天然气作为一种清洁度极高的能源，开始得到大力推广和应用，其在能源使用中的占比也越来越高，运输、储存成为战略推广中亟待解决的问题，同时常规的天然气体积非常大，为了降低成本，需要将常规气体温度降低到-165 ℃后液化储藏，LNG（液化天然气的英文缩写）混凝土外罐作为LNG接收站工程的关键，其安全性、耐久性、刚度及失拱度备受关注，目前常用的混凝土外罐加固措施为增加超低温预应力锚固体系结构设计，并通过对称张拉等相关预应力施工工序，在结构中建立有效预应力。

1 预应力管道摩阻试验

1.1 预应力管道摩阻试验意义

通过预应力管道的摩阻损失试验，可以在张拉施工前有效校准预埋管道的摩擦损失影响参数，为预应力张拉理论提供依据。如果水平管道的控制张拉力参照曲线管道的控制应力，可能会出现局部超张拉应力，使得LNG混凝土外罐的实际反拱度大于设计反拱度，给施工带来一定风险;考虑摩擦阻力偏小时，又使得张拉控制力设计偏小，导致预应力结构中获得有效预应力不足，从而影响LNG混凝土外罐的质量和安全性。为验证某LNG储罐工程预应力管道摩擦损失影响参数的取值是否合理，需要通過预应力管道摩阻损失试验进行验证。本文主要论述该试验的具体方法及结果，为后续其他工程进行同类型试验提供参考。

1.2 预应力管道摩阻试验

1.2.1 试验前分析及内容

1.2.1.1 试验前分析

本次预应力管道摩阻损失试验拟在某LNG储罐工程进行正式预应力施工前进行，试验前先进行如下分析工作。

（1）对工程构件结构进行分析。某LNG储罐为16万m3储量的储罐，混凝土外罐采用后张法有黏结预应力体系钢筋混凝土结构，外罐底板直径为88.8 m，厚度为0.8 m，混凝土筒体内直径为φ82 m，外直径为φ83.6 m，筒体墙高40 m，筒体壁厚0.8 m，筒体墙的四周均匀布置4个扶壁柱。预应力钢绞线束布置在筒体墙和扶壁柱内，由筒体墙环向水平钢绞线束、筒体墙竖向钢绞线束和扶壁柱竖向钢绞线束组成。筒体墙水平预应力钢绞线束绕筒体墙半圈，对应的两束形成一圈水平布置在筒体墙内，分别锚固在对称的4个扶壁柱上，每束长约131 m。筒体墙竖向预应力钢绞线束一端锚固在筒体墙顶部的环梁上，另一端锚固在罐体底板内，每束长约41 m。筒体墙扶壁柱内竖向预应力钢绞线束共有8束，一端锚固在扶壁柱顶部，另一端锚固在扶壁柱底部，每束长约39 m。

（2）结合以上LNG储罐工程结构特征可知，其布设的预应力束分为水平环向曲线束和竖向直线束两种。对产生摩阻损失的因素进行分析，其主要存在以下几个方面：？譹？訛预应力管道的安装偏差。在布设预应力管道时，会存在一定的安装公差，而且浇筑混凝土时也会导致预应力管道偏移走位。管道产生位置偏差后会使张拉时产生摩阻损失[1]。？譺？訛钢绞线之间的摩擦损失。在LNG储罐工程中通常采用单根穿束的方式进行穿束，不可避免的存在部分钢绞线打绞的现象，钢绞线打绞后再进行预应力张拉时会相互摩擦产生摩组;环向水平曲线束的钢绞线因自重下坠亦会相互接触摩擦产生摩阻。？譻？訛钢绞线同预应力管道内壁接触产生摩阻损失。不论环向水平曲线束还是竖向直线束都会与预应力管道内壁相互接触产生摩擦损失;而对于环向水平曲线束，还存在预应力筋对预应力管道内壁径向垂直挤压力所引起的摩擦损失，该摩阻损失力较大，会随着钢绞线弯曲角度之和成比例增加。？譼？訛与预应力束的长度相关，两者成正比的关系。？譽？訛与预应力管道内壁及钢绞线表面的光洁度相关，此两者摩擦系数越大，产生的预应力损失也越大。

（3）根据工程项目的技术文件、《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T 3650—2020）[1]及《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG/T 3362—2018）[2]，经过分析，认为本LNG工程储罐预应力施工的关键是如何按设计要求建立有效的预压应力以平衡各种不利工况作用下储罐产生的不利应力。通常情况下，预应力专业施工单位在实际工程中均按照预应力施工图纸进行施工，其中张拉控制应力由设计单位提供，设计单位根据结构产生的内应力进行相应配筋且预应力有效应力也是根据相关规范的公式进行计算，但这个预应力有效应力常常与施工中实际产生的有效应力存在偏差，因此为了建立设计所需的有效应力，就需要通过试验即预应力管道摩阻试验（现场或试验室试验）采集数据求导出准确的μ和k值，然后根据公式计算出预应力管道摩阻损失，进一步确定建立设计所需的有效应力相对应的张拉控制应力。

（4）针对该LNG项目储罐的预应力而言，由于按实体筒壁进行测试预应力管道摩阻损失值只能推导出kx+μθ的组值，而不能求导出μ和k的唯一值，因此需要通过3组预应力直线构件试验测出管道摩阻损失值，直线管道的摩阻损失中θ值为0，可以直接求出k值，然后在实体筒壁测试预应力管道摩阻损失值时就可以求出μ值。并且在试验前，要事先在地上同一直线上用混凝土浇筑一段用于试验用混凝土构件，在浇筑时把3根预应力波纹管和锚座埋在构件中间位置，用于测试k值。

1.2.1.2 試验内容

试验的内容主要有管道摩阻损失系数，即在预应力筋张拉时，在预应力筋穿过的预留管道中，由于预应力筋与管道之间摩擦所产生的比例系数与管道摩擦损失、管道曲线起弯角度、预留管道位置偏差等相关，因此管道摩阻损失系数包含预应力钢筋与管道壁之间的摩擦系数μ和管道局部偏摆系数（或叫局部偏差摩擦系数）k。

试验步骤如下：首先通过浇筑好的混凝土构件测量出k值，其次测量水平环向曲线束的μ值。由于水平环形曲线束摩阻损失影响因素较竖向直线束多，管道长度大，因此选取工程中两束水平环向曲线束进行摩阻损失试验，分别为A束及B束。

1.2.2 试验的具体过程

（1）取若干根工程中使用的1×7-15.7-1860钢绞线和若干套19孔锚具。试验前，把已下好料的钢绞线采用人工穿束的方式穿入波纹管内，两端套上锚具，安装锚具时需确保其同预应力束同轴对中，然后呈水平放置在预先浇筑好的混凝土构件内，两端各留出2 m左右的长度，用于安装试验用测力传感器和张拉千斤顶。

（2）在两端分别安装测力传感器，安装完测力传感器后再安装千斤顶，一端张拉一端锚固，进行分级张拉，张拉测试前需检查测力传感器和张拉设备性能是否完好，确定测试设备和张拉设备性能良好后再进行张拉作业和测试，安装时需确保张拉工具及设备与预应力束同轴对中。通过张拉端与固定端测力传感器之预应力差值即为管道摩阻损失值，利用直线的测试数据求导出k值。

（3）每个直线束管道均测量3组数据，取平均值，张拉控制应力为0.8 Fptk，两端先同时张拉到控制应力的10%，然后一端主动张拉，另一端被动张拉，主动端分级张拉至20%、40%、60%、80%、100%的张拉控制应力，每个荷载等级都测量两个测力传感器之间的读数差，即为该荷载等级下的摩擦损失，各等级的读数差就是此次试验的数值采样点，据此计算k值。

（4）将测试出来的k值用于测试实体储罐环向水平预应力管道摩阻损失值。每个管道也分别进行3组试验，取平均值，张拉控制应力为0.8 Fptk，两端先张拉到控制应力的10%，然后一端主动张拉，另一端被动张拉，主动端分级张拉至20%、40%、60%、80%、100%的张拉控制应力，每个荷载等级都测量两个测力传感器之间的读数差，即为该荷载等级下的摩擦损失，各等级的读数差就是此次试验的数值采样点，据此计算μ值。

1.3 预应力管道摩擦损失计算依据

对于后张预应力混凝土构件，钢绞线与预应力管道内壁之间摩擦引起的预应力损失，可依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）6.2.2条要求进行验证，计算公式如下：

σl1=σcon[1-e-（ μθ+kx）]

公式中：σl1为预应力筋与管道壁之间的摩擦损失应力值;σcon为预应力筋张拉控制应力值;μ为预应力钢筋与管道的摩擦系数;θ为从张拉端至计算截面曲线管道部分切线的夹角之和（rad）;k为管道每米局部偏差对摩擦的影响系数;x为从张拉端至计算截面的管道长度（m）[2]。

体外预应力钢绞线和管道壁之间摩擦引起的预应力损失仅计算现装置和锚固装置管道段，系数k和μ宜根据实测数据确定;当无可靠实测数据时，系数k和μ按照表1取值。对于系数μ，无黏结钢绞线取括号内数值，光面钢绞线取括号外数值。

1.4 试验结果分析校核

根据以上实验方案中的试验和计算方法，并结合工程及试验情况，按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）第6.2.2条进行校核计算。k值已通过预应力直线构件管道摩阻试验实测计算得0.001 5，实测出A束和B束被动端预应力值分别为1 908 kN及1 757 kN，σcon值、θ值及x值结合工程设计参数直接计算得出，将以上数据代入公式中进行计算，求导出A束及B束的摩擦系数μ。

σl1=σcon[1-e-（ μθ+kx）]

式中：σl1为预应力筋与管道壁之间的摩擦损失应力值：？坠l1'=4 240.8-1 908=2 332.8 kN（A束）;？坠l1"=4 240.8-1 757=2 483.8 kN（B束）。σcon为预应力筋张拉控制应力值：δcon=19×279×0.8=4 240.8 kN。μ为预应力钢筋与管道的摩擦系数;θ为从张拉端至计算截面曲线管道部分切线的夹角之和（rad），θ=3.351 rad;k为管道每米局部偏差对摩擦的影响系数，k=0.001 5;x为从张拉端至计算截面的管道长度（m），x=131 m。

将各参数代入上述计算公式中，得：

μ'=0.179 6  （A束）;μ"=0.204 3  （B束）。

参照表1中体内预应力筋、预埋金属波纹管及钢绞线对应的k值和μ值，其理论值分别为0.001 5及0.20～0.25，将实测值与理论值进行对比，结果较为优异，可判定LNG储罐工程环向水平曲线束摩阻损失值为合理。

2 结语

通过对某LNG储罐工程的预应力管道摩阻损失试验结果进行分析可知：？譹？訛超低温预应力体系在相同的张拉预应力下，对比其在有管道摩阻及无管道摩阻的条件下，实测钢绞线的伸长量存在较大差异;造成预应力管道摩阻损失的因素较多，主要包含预应力管道布设方式、管道内壁光洁度、管道长度、管道安装精度、钢绞线表面光洁度、钢绞线在管道内的安装情况、施工规范性等因素，在诸多因素的影响下，同样设计条件下的预应力管道实测摩擦系数亦不相同。

鉴于预应力管道的摩阻损失对工程结构安全性影响极大，因此为了合理控制LNG混凝土外罐的施工质量，保证其获得设计有效应力，通过管道的摩阻损失试验测算出精确的摩阻损失值是非常有必要的。

参 考 文 献

[1]JTG/T 3650—2020，公路桥涵施工技术规范[S].

[2]JTG 3362—2018，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].