李 文， 張金晶， 李 寧， 王金國， 楊云艷

( 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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 大慶 163318; 3. 大慶油田工程有限公司，黑龍江 大慶 163712； 4. 大慶油田有限責(zé)任公司 第九采油廠，黑龍江 大慶 163000 )

0 引言

液化天然氣(Liquified Natural Gas ，LNG)儲罐作為一種清潔、經(jīng)濟(jì)的能源在世界能源體系中地位日益重要.由于石油資源的消耗殆盡，21世紀(jì)將成為“天然氣的世紀(jì)”[1].將天然氣液化對天然氣的儲存和運(yùn)輸具有明顯的優(yōu)越性.液化天然氣具有便于經(jīng)濟(jì)可靠的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，儲存效率高，占地少，便于供氣負(fù)荷的調(diào)節(jié)，儲存規(guī)模易于大型化等優(yōu)點(diǎn).液化天然氣儲罐是天然氣接收站的主要設(shè)施，保證液化天然氣儲罐的正常運(yùn)行是天然氣接收站正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵[2].

國外對LNG儲罐內(nèi)罐進(jìn)行研究，而對于外罐研究較少.Jeon S J等研究預(yù)應(yīng)力LNG儲罐的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對結(jié)構(gòu)的受力性能的影響，得出合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)取值[3].Rostasy F S等證明預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土在低溫下有良好的受力性能，并且得出低溫下不同等級的混凝土和鋼筋的強(qiáng)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[4].在外墻預(yù)應(yīng)力筋設(shè)計(jì)方面，法國索菲公司積累豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn).國內(nèi)對LNG儲罐的研究剛剛起步，項(xiàng)忠權(quán)對儲罐類結(jié)構(gòu)的抗震問題進(jìn)行研究[5]；翁智遠(yuǎn)以核動力工程中的反應(yīng)堆容器為對象，對其液固耦合振動以及抗屈曲理論等進(jìn)行研究[6].張?jiān)品宓炔捎孟鹉z支座對儲罐的隔振效果進(jìn)行分析[7].國內(nèi)缺乏對其系統(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.

筆者擬對LNG儲罐外罐進(jìn)行預(yù)應(yīng)力后張拉模擬實(shí)驗(yàn)，并得出預(yù)應(yīng)力罐體在預(yù)應(yīng)力自上向下和自下向上不同順序施加過程中，外罐的應(yīng)力、位移及其變化規(guī)律，得出外罐預(yù)應(yīng)力的正確張拉順序，為預(yù)應(yīng)力LNG儲罐的施工方法提供依據(jù).

1 工程概況

LNG儲罐尺寸大小及所用材料見文獻(xiàn)[8].

2 有限元模型

2.1 假設(shè)條件

文中材料與邊界假設(shè)與文獻(xiàn)[8]相同.

2.2 建立

文中所取有限元單元、對預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行等效降溫法的過程和方法與文獻(xiàn)[8]相同.

在進(jìn)行環(huán)向張拉時(shí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)和荷載的對稱性，取罐壁的1/4部分進(jìn)行建模，在其兩側(cè)邊加上對稱約束，以消除切向位移的影響.LNG儲罐外罐罐壁與環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼筋耦合模型及有限元約束模型見圖1和圖2[9-10].

圖1 預(yù)應(yīng)力LNG儲罐耦合模型

圖2 預(yù)應(yīng)力LNG儲罐有限元約束模型

3 環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉實(shí)驗(yàn)

3.1 張拉方案

對預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行一次張拉，采用等效降溫法模擬無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的張拉，取張拉控制應(yīng)力σcon= 0.75fptk(fptk為預(yù)應(yīng)力筋的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度)，取初始溫度為0 ℃，降溫至-770 ℃[8,11-13].

環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋分別從底部向上和從頂部向下依次張拉.環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋共配置41根，均勻分布在外罐墻體中.

3.2 不同張拉順序數(shù)據(jù)

表1 環(huán)向張拉外罐混凝土最大應(yīng)力、位移

利用ANSYS有限元軟件對LNG外罐壁進(jìn)行張拉預(yù)應(yīng)力筋模擬實(shí)驗(yàn).自下向上張拉預(yù)應(yīng)力筋時(shí)，由底部開始張拉第一束預(yù)應(yīng)力筋，計(jì)算外罐混凝土的最大應(yīng)力及位移；然后依次張拉至1/4、1/3、1/2、2/3、3/4部位以及頂部，分別計(jì)算混凝土的最大應(yīng)力和位移.自上向下張拉過程與之相反.計(jì)算結(jié)果見表1[14-16].

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)自上向下和自下向上張拉情況下混凝土的最大應(yīng)力及位移繪制圖3和圖4.根據(jù)表1及圖3-4曲線可以看出：

(1)應(yīng)力方面.自下向上或自上向下不同張拉順序的方案最大應(yīng)力接近，即當(dāng)最終施加全部預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力后，外罐混凝土的最大應(yīng)力基本相同.張拉過程中，最大應(yīng)力均符合材料強(qiáng)度的要求，同時(shí)也符合《鋼筋混凝土規(guī)范》的要求.在不同張拉順序方案中，自下向上張拉時(shí)，當(dāng)張拉至外罐1/4高度處，外罐的應(yīng)力達(dá)到較大(5.51 MPa)；當(dāng)張拉高度在外罐1/4～1/3之間時(shí)最大應(yīng)力達(dá)到一個(gè)峰值；之后外罐應(yīng)力曲線呈一個(gè)平緩的下坡.自上向下張拉時(shí)，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在最終張拉結(jié)束之時(shí).在張拉過程中，應(yīng)力保持在較低的數(shù)值(相對自下而上方案).從應(yīng)力角度分析，自上向下的順序張拉預(yù)應(yīng)力筋的方案對結(jié)構(gòu)影響較小，結(jié)構(gòu)處于更安全的狀態(tài).

(2)位移變形方面.自下向上或自上向下張拉順序的方案曲線近似重合，變形從開始張拉至張拉完成1/2時(shí)，其變形呈上升趨勢；當(dāng)張拉完成1/2之后，變形不再增大，變形曲線近似一條水平線.

圖3 環(huán)向張拉最大應(yīng)力分析曲線

圖4 環(huán)向張拉最大位移分析曲線

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、位移響應(yīng)，對預(yù)應(yīng)力筋的張拉采用等效降溫法進(jìn)行模擬.對比分析自下向上和自上向下最大應(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)張拉過程中(除起始和終止點(diǎn)外)應(yīng)力變化穩(wěn)定，無明顯波動.且除起始和終止點(diǎn)外，由下向上張拉平均應(yīng)力為5.52 MPa，由上向下張拉平均應(yīng)力為3.89 MPa，由上向下張拉比由下向上張拉混凝土的應(yīng)力小42%.張拉過程中，最大應(yīng)力峰值為5.68 MPa，只有混凝土抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度(19.1 MPa)的30%.因此，無論是由上向下還是由下向上張拉，建議澆筑完混凝土后，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到75%的抗壓標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度時(shí)，即可張拉預(yù)應(yīng)力筋.

(3)現(xiàn)場施工時(shí)，自下向上方案優(yōu)于自上向下方案.自上向下施工過程中外罐混凝土應(yīng)力普遍偏??；位移基本相同，自上向下方案優(yōu)于自下向上方案.因此，若在現(xiàn)場施工工期無特別規(guī)定時(shí)，建議采用自上向下的施工方案.