張云峰， 許麗佳， 李 寧， 袁朝慶， 張 音

( 1. 東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2. 東北石油大學(xué) 黑龍江省防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程重點實驗室,黑龍江 大慶 163318; 3. 大慶油田工程建設(shè)有限公司 油建公司，黑龍江 大慶 163000 )

0 引言

隨著世界范圍內(nèi)能源消耗的不斷增長，天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的能源被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域.2020年天然氣用量將超越石油，成為世界第一大能源[1].為滿足液化天然氣儲存的需要，緩解國內(nèi)尤其是東部沿海地區(qū)液化天然氣的供應(yīng)不足，我國在東部沿海地區(qū)積極建設(shè)和籌備建造液化天然氣接收終端和貯存設(shè)施.LNG儲罐(液化天然氣儲罐)以其儲量大、占地少，而且具有很好的安全性、穩(wěn)定性和耐久性等優(yōu)點，成為國際上主要天然氣儲存手段[1].

在實踐方面，1940年，俄亥俄天然氣公司建立第一座天然氣工廠，并建造3臺LNG球形儲罐.1954年，出現(xiàn)第一臺用于液氧的不銹鋼雙壁絕熱平底低溫儲槽.從20世紀(jì)50～80年代，雙壁絕熱平底LNG儲罐容積不斷擴大：60年代為(1～3)×104m3,70年代為(5～10)×104m3，80年代已超過20×104m3[2].在理論研究方面，Rostasy F S等研究得出低溫下不同等級的混凝土和鋼筋的強度、彈性模量、線膨脹系數(shù)等參數(shù)隨溫度的變化趨勢及其相應(yīng)的取值[3].Jeon S J等研究預(yù)應(yīng)力LNG儲罐的各項結(jié)構(gòu)參數(shù)對結(jié)構(gòu)受力性能的影響，得出合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)取值[4].目前，美國、日本、歐盟等已經(jīng)制定專門的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)[2,5].我國的LNG儲罐的建造和設(shè)計處于起步階段，尚無大型液化天然氣貯罐國家標(biāo)準(zhǔn)，也無自行設(shè)計、建造的大型液化天然氣儲罐，更未掌握液化天然氣核心技術(shù).對LNG儲罐也缺乏系統(tǒng)的理論分析與研究，特別是針對外罐預(yù)應(yīng)力張拉工藝方面的研究還很少.對LNG儲罐的研究也主要集中在罐體的抗震，以及儲罐與儲液的固液耦合問題的研究，對預(yù)應(yīng)力外罐的施工研究甚少.因此，對大型預(yù)應(yīng)力LNG儲罐施工進(jìn)行分析與設(shè)計是保證施工安全的首要任務(wù).

筆者針對我國預(yù)應(yīng)力LNG儲罐設(shè)計研究及施工領(lǐng)域相對落后的現(xiàn)狀，擬對LNG儲罐外罐進(jìn)行預(yù)應(yīng)力后張拉模擬試驗，并分析預(yù)應(yīng)力罐體在預(yù)應(yīng)力施加過程中，結(jié)構(gòu)各部分的應(yīng)力、位移響應(yīng)，從而得出正確的張拉順序，為預(yù)應(yīng)力LNG儲罐施工技術(shù)的改進(jìn)奠定基礎(chǔ).

1 工程概況

LNG儲罐(見圖1)容積為50 000 m3，罐體內(nèi)徑為54.800 m，外徑為56.100 m，壁厚為0.650 m，內(nèi)壁高度為29.300 m，上面形成環(huán)梁及穹頂半徑為54.800 m，矢高為7.342 m，穹頂厚度為0.400 m.罐體支承在樁基上，底板厚度為0.900～1.200 m，直徑為59.100 m.底板與零米地坪架空1.500 m，樁基采用286根?800PHCAB樁型，樁長為57 m[6].

圖1 預(yù)應(yīng)力LNG儲罐剖面

外罐罐壁采用C40混凝土；鋼筋布置采用普通鋼筋與后張法無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋結(jié)合，預(yù)應(yīng)力筋采用鋼絞線D=15.200 m(D為直徑)，鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強度fptk=1 860 N/mm2，鋼絞線設(shè)計強度fpy=1 320 N/mm2；普通鋼筋采用HRB400級鋼筋[6].

2 有限元數(shù)值模擬

2.1 假設(shè)條件

2.1.1 材料

所用材料采取非線性彈性理論，認(rèn)為應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系不再是線性，卸載后沒有殘余應(yīng)變，應(yīng)力狀態(tài)完全由應(yīng)變狀態(tài)決定.

(1)混凝土.對于單軸受拉狀態(tài)下的混凝土，其破壞準(zhǔn)則取拉應(yīng)力達(dá)到抗拉設(shè)計強度時為準(zhǔn)，而混凝土受壓的本構(gòu)關(guān)系計算式采用Kent-Park模型的經(jīng)驗公式.

(2)普通鋼筋.假設(shè)混凝土與普通鋼筋之間沒有相對滑移，對鋼筋和混凝土采用整體式方法建立模型.同時，根據(jù)強度等效原則，將普通鋼筋的體積轉(zhuǎn)化為混凝土的體積.

2.1.2 邊界

(1)假設(shè)儲罐底部與地面固接，罐底任何方向沒有位移.

(2)當(dāng)施加預(yù)應(yīng)力時，假設(shè)預(yù)應(yīng)力筋端部與混凝土沒有相對移動，即預(yù)應(yīng)力筋沒有內(nèi)縮.

(3)不考慮預(yù)應(yīng)力筋張拉后的應(yīng)力損失[10-11].

2.2 有限元模型

在ANSYS有限元軟件中，混凝土單元類型選擇SOLID65單元，預(yù)應(yīng)力鋼筋單元類型選擇LINK8單元[12-13].

單元劃分采用映射網(wǎng)格劃分(mapped meshing)，每個單元均為六面體.為實現(xiàn)混凝土和預(yù)應(yīng)力筋的組合，要求混凝土單元和預(yù)應(yīng)力筋單元共用節(jié)點，采用體分割法或獨立建模耦合法實現(xiàn).采用獨立建模耦合法實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力鋼筋和混凝土之間力的傳遞.首先分別建立混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋模型；而后對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，使混凝土單元和鋼筋單元共用節(jié)點共同作用；最后對預(yù)應(yīng)力筋采用等效降溫法模擬預(yù)應(yīng)力效應(yīng).LNG儲罐外罐罐壁與豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋耦合模型及有限元約束模型見圖2和圖3.

圖2 預(yù)應(yīng)力LNG儲罐耦合模型

圖3 預(yù)應(yīng)力LNG儲罐有限元約束模型

3 豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉實驗

3.1 張拉方案

預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)應(yīng)力荷載通過等效溫度的方式施加.根據(jù)鋼筋熱脹冷縮原理，即鋼筋施加預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的變形等于溫度的變化產(chǎn)生的變形，計算公式[14-15]為

(1)

式中：T為施加的溫度；F為實際施加的力；E為鋼筋彈性模量；A為鋼筋面積；δ為鋼筋的線膨脹系數(shù).

實驗采用四點、三點、二點對稱張拉的3種方案.由于在全罐中配置豎向預(yù)應(yīng)力筋120根，為合理而簡便地分析其應(yīng)力、位移變化規(guī)律，每種張拉方案都以5根筋為一小組，四點對稱張拉方案有6組，三點對稱張拉方案有8組，二點對稱張拉方案有12組.

圖4 豎向預(yù)應(yīng)力筋順時針?biāo)狞c對稱張拉

(1)豎向預(yù)應(yīng)力筋四點順時針對稱張拉方法見圖4.其中①標(biāo)記點處同時張拉預(yù)應(yīng)力筋，進(jìn)行數(shù)值模擬，計算得到混凝土的最大應(yīng)力、位移.接著順時針張拉②標(biāo)記點預(yù)應(yīng)力筋，然后順時針繼續(xù)張拉，直至所有預(yù)應(yīng)力筋張拉結(jié)束.

(2) 豎向預(yù)應(yīng)力筋三點順時針對稱張拉方法見圖5，實驗過程同方法(1).

(3)豎向預(yù)應(yīng)力筋二點順時針對稱張拉方法見圖6，實驗過程同方法(1).

圖5 豎向預(yù)應(yīng)力筋順時針三點對稱張拉

圖6 豎向預(yù)應(yīng)力筋順時針二點對稱張拉

在實際工程中常規(guī)采用的分步一次加載法是按照整體結(jié)構(gòu)計算模型下，對每個施工步當(dāng)前累積荷載一次性加載，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，而不考慮之前的施工加載結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)變化過程的影響.

表1 張拉控制應(yīng)力允許值

注：fptk為預(yù)應(yīng)力筋的標(biāo)準(zhǔn)強度.

該方法力學(xué)概念簡單，易于掌握，一般的結(jié)構(gòu)分析軟件均能計算實現(xiàn).對預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行一次張拉，采用后張無黏結(jié)法、有限元分析等效降溫法，由式(1)及表1計算得出，初始溫度為0 ℃，降溫至-770 ℃.

3.2 不同張拉順序結(jié)果

利用ANSYS有限元分析軟件，對豎向預(yù)應(yīng)力筋四點、三點和二點對稱張拉進(jìn)行模擬實驗，得出不同張拉方法下，張拉過程中的外罐的最大應(yīng)力與最大位移數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2-4.

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)四點、三點、二點對稱張拉順序下最大應(yīng)力、位移計算結(jié)果，繪制圖7和圖8.根據(jù)表2-4及圖7-8曲線可以看出：

(1)應(yīng)力方面.第一組筋張拉完成后，二、三、四點對稱張拉下混凝土的最大應(yīng)力為6.93 MPa，在整個張拉過程中最大，原因是剛開始張拉時存在應(yīng)力分布集中.由圖7可以看出，二點對稱張拉的最大應(yīng)力降低較其他方案的快，并且降低后其最大應(yīng)力始終保持在5.8～6.0 MPa之間，比較穩(wěn)定且變化平緩.在預(yù)應(yīng)力張拉過程中，二點對稱張拉的混凝土應(yīng)力較小，變化穩(wěn)定，對墻體的破壞力要小一些.

表2 豎向四點對稱張拉外罐混凝土最大應(yīng)力、位移

表4 豎向二點對稱張拉外罐混凝土最大應(yīng)力、位移

表3 豎向三點對稱張拉外罐混凝土最大應(yīng)力、位移

圖7 豎向張拉最大應(yīng)力分析曲線

圖8 豎向張拉最大位移分析曲線

(2)位移變形方面.在張拉第一組預(yù)應(yīng)力筋之后，3種張拉方案的最大位移幾乎相同.四點對稱張拉的最大位移出現(xiàn)在張拉60根預(yù)應(yīng)力鋼筋時(張拉第3組預(yù)應(yīng)力筋)，為1.658 mm；三點對稱張拉的最大位移出現(xiàn)在張拉45根預(yù)應(yīng)力鋼筋時(張拉第3組預(yù)應(yīng)力筋)，為1.634 mm；二點對稱張拉的最大位移出現(xiàn)在張拉30根預(yù)應(yīng)力鋼筋時(張拉第3組預(yù)應(yīng)力筋)，為1.628 mm.縱向?qū)Ρ?種張拉方案，張拉過程中四點對稱張拉彎管混凝土位移較其他方案的偏高.因此，從變形角度分析，二點、三點對稱張拉優(yōu)于四點對稱張拉.

4 結(jié)論

(1)應(yīng)用ANSYS有限元軟件模擬分析LNG儲罐外罐壁的應(yīng)力、位移，對預(yù)應(yīng)力筋的張拉采用等效降溫法進(jìn)行模擬.對比四點、三點、二點張拉下混凝土的最大應(yīng)力、位移曲線，不同張拉順序下，應(yīng)力、位移最終趨于相同，只是在張拉過程中，應(yīng)力、位移不同，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響也不同.

(2)無論哪種張拉方式，在預(yù)應(yīng)力張拉過程中，外罐混凝土最大應(yīng)力均不超過7 MPa，僅為抗壓標(biāo)準(zhǔn)強度(19.1 MPa)的37%.因此，在實際工程中建議對外罐提前張拉預(yù)應(yīng)力筋，即當(dāng)混凝土達(dá)到75%抗壓標(biāo)準(zhǔn)強度時開始張拉預(yù)應(yīng)力筋.

(3)現(xiàn)場施工時，四點對稱張拉需要的人工、設(shè)備多，但是工期短；二點對稱張拉與其正好相反.因此，綜合考慮最大應(yīng)力、位移的變化，人工、設(shè)備、時間、操作面等情況，豎向二點張拉更符合現(xiàn)場實際施工順序.