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      LNG儲罐混凝土外罐預應力張拉順序與罐壁底端加厚研究

      文檔作者: 鐘曦        文檔來源: 中海石油氣電集團有限責任公司
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      更新時間: 2021年01月08日
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      _ 研究探討 石油l程建設 LN G 儲罐混凝土外罐預應力張拉順序與罐壁 底端加厚研究 鐘曦 中海石油氣電集團有限責任公司,北京1 00028 doi:1 0 3969/j issn 1 001-2206.201 6.02.003 摘要:LNG儲罐預應力混凝土外罐建造技術一直是接收站建設中的~個難題。施工中發現不同的預應力張拉 順序對混凝土裂縫的大小有較大影響。借助于ANSYS有限元軟件,對LNG預應力混凝土外罐罐壁在不同預應 力張拉順序下的內力分布進行了深入研究,分析了不同的預應力張拉順序對預應力混凝土儲罐結構的影響。并 對罐壁底端的受力情況進行了有限元分析,提出了罐壁底端加厚的改進措施,解決了LNG預應力混凝土外罐 罐壁預應力設計施工中的應力過大的問題,有效地控制了罐壁底端裂縫的產生。 關鍵詞:LNG儲罐;預應力混凝土;預應力張拉順序;底端加厚;應力分析 Research on Prestressed Tension Sequence and Bottom Wall Thickened of 0uter Concrete Tank of LNG Storage Tank ZHONGXi CNOOC Gas&Power Group,Beijing 1 00028,China Abstract:The construction technology of outer prestressed concrete tank of LNG storage tank has been a problem in the terminal construction lt iS found in the construction that the different sequence of prestressed tension has a greater m— pact 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 walI of the concrete tank are also analyzed. The improvement measure of thickening the bottom walliS proposed to solve the overstressed problem of prestressed concrete walI n LNG tank design and construction。and the generation of cracks in the concrete walI iS effectively con— tro Jled. Keywords:LNG tank; prestressed concrete;prestressed tension sequence;bottom walI thickened;stress analysis 全容式LNG儲罐混凝土外罐是由圓形承臺底板、 圓柱形罐壁和穹形罐頂組成的超靜定混凝土結構。其 中圓形承臺底板和穹形罐頂在一般荷載作用下其混凝 土截面主要受壓或可控性受拉,即強度計算時,通過 普通配筋就能滿足強度承載力要求。正常使用時這些 普通配筋可滿足抗裂縫要求,故圓形承臺底板和穹形 罐頂可不施加預應力,僅采用鋼筋混凝土結構即可。 而圓柱形罐壁在泄漏荷載下將會豎向受彎、環向軸心 受拉;內外罐壁表面的溫度差效應將使罐壁豎向和環 向都受彎;地震荷載作用將使罐壁豎向和環向均受 彎。在上述荷載的組合作用下,罐壁的豎向和環向都 會產生很大的拉力,這些力若完全由混凝土自身來抵 抗,則截面尺寸會非常大,故可在罐壁的豎向和環向 設置預應力來平衡拉力作用,以減小截面尺寸。 目前國內已建和在建的LNG全容儲罐設計中并 未考慮實際預應力張拉順序對罐壁結構應力的影響, 而是將預應力荷載一次性施加到結構模型中。而圓筒 形罐壁在實際預應力容易張拉施工過程中,會在罐壁 產生很大的附加應力,易導致罐壁混凝土開裂。本文 將利用ANSYS有限元軟件,對不同的預應力張拉順 序產生的罐壁混凝土截面附加應力進行計算,得到最 優化的預應力施工方案,為實際工程提供設計參考。 1 幾何模型 以某3萬m。LNG預應力混凝土全容儲罐為研究 對象,借助ANSYS有限元軟件,研究不同的預應力 張拉順序對儲罐預應力混凝土罐壁受力情況的影響。 外罐罐壁高度為27 m,內罐半徑為22.5 m,內外罐 之間環形空間為1 m,保冷材料從內罐外壁至混凝土 外罐內壁依次為玻璃纖維毯、膨脹珍珠巖,5 m高度 以下部分由9% 鎳鋼制成的熱保護角、熱保護角和外 罐之間的泡沫玻璃磚以及鋼制內襯組成。預應力混凝 鐘曦:LNG儲罐混凝土外罐預應力 土罐壁厚度650 mm,混凝土強度C50,罐壁中豎向 預應力鋼絞線為9O束,環向預應力鋼絞線為39束, 每束預應力鋼絞線施加預應力荷載為1 1 1 6 M Pa。 在本項目應力分析中建立的實體結構有限元模 型 ,如圖1所示。 圖1 有限元模型 2 預應力張拉方案研究 根據工程實際設計5種可能的預應力張拉順序方 案,分別為: 方案1:先張拉環向預應力鋼絞線,再張拉豎向 預應力鋼絞線,環向預應力鋼絞線的張拉順序為由上 至下依次張拉。 下面4種方案均為先張拉豎向預應力鋼絞線,后 張拉環向預應力鋼絞線,只是環向預應力鋼絞線的張 拉順序不同。 方案2:環向預應力鋼絞線的張拉川頁序由下至上。 方案3:環向預應力鋼絞線的張劃lI頁序由上至下。 方案4:環向預應力鋼絞線的張拉順序由中間往 上下兩端對稱張拉。 方案5:環向預應力鋼絞線的張拉順序由上下兩 端對稱往中間張拉。 用ANSYS模擬以上5種方案,每張拉2束預應 力鋼絞線提取一次計算結果,該結果為預應力混凝土 罐壁的最大環向應力和最大豎向應力(主要為了判 斷拉應力是否超標),應力結果如圖2~3所示。 由圖2~3結果可知,先張拉環向預應力鋼絞線 的方案1的環向應力和豎向應力均大于其他方案,為 最差的方案,且豎向應力超過了混凝土C50的抗拉 強度標準值。 其他4種方案中,豎向應力和環向應力均小于混 凝土C50的抗拉強度標準值,且張拉完成后的最終 O.6 0.5 研究探討_ r ? ? ? ’ { ....一 一 { ’ l— 7 .~ 7 l 、. ./ \ ’ ’ 一1 。 ’ 3 O O.5 O 5 1O 15 20 25 30 35 40 預應力張拉次數/次 圖2 5種方案最大環向應力 ^ JL一▲ ▲ . . . . . . . . ‘ , ? ? ? 、 ,, ....... ?? .. ·●—‘Z衛~ .. 一-一_· 一-J口_ l, ? ? ‘ ‘ 蠢 / 擻 ” — + 方案1 + 方案2 -.-方案3 方案4 方案5 + 7j案1 + 與案2 "-NI"右案3 --方案4 + 石案5 5 1U 15 ZU Z5 30 35 40 預應力張拉次數/次 圖3 5種方案最大豎向應力 應力情況完全一樣。但從應力變{-b'N況可以看出,方 案4在預應力依次張拉過程中混凝土截面拉應力相較 于其他fl,f~方案是最小的,為最優方案,即先張拉豎 向預應力鋼絞線,再張拉環向預應力鋼絞線,環向預 應力鋼絞線的張拉順序為由中間往上下兩端對稱張 拉;其次較好的為方案2,先張拉豎向預應力鋼絞 線,再張拉環向預應力鋼絞線犯卅,環向預應力鋼絞 線的張拉順序為由下至上張拉。 3 罐壁底端加厚研究 實際工程中發現,預應力的施加對罐壁底端影響 較大【5卅,產生了較大的拉應力,這是施工過程中罐 壁底端產生較多混凝土裂紋的主要原因。圖4~5是 全部預應力鋼絞線張拉完成后罐壁應力云圖。 由圖4~5可知,張拉完成后罐壁底端環向應力 和豎向應力均處于受拉狀態(ANSYS中應力為正表 示受拉,為負表示受壓),雙向受拉狀態的罐壁底部 非常容易產生裂紋。 要改變該受力狀態,可以在罐壁底部加厚,研 究表明罐壁底部受拉應力較大的高度位置大致為0— 7 m,因此可以在該位置處加厚。 4 3 2 0 0 O 0 0 0 ∞ \R目丌{ 畸 Bd 、[[ 嘣 鐘曦:LNG儲罐混凝土外罐預應力張拉順序與罐壁底端加厚研究 一4 601 63 —2 78513 —968 63 .847 868 2 66437 — 3 69338 -1 87688 —060 381 1 756 12 3,572 62 圖9 底部加厚罐壁豎向應力云圖/MPa 現罐壁底端只產生了少許微小裂紋,比以往項目的情 況要好很多。 4 結束語 不同的預應力張拉施工順序對預應力混凝土罐壁 的應力分布和混凝土裂紋的發展有著非常重要的影 響,本文以混凝土罐壁的受力特性為基礎,結合相關 規范的指導性要求,并運用ANSYS有限元軟件進行 實體結構建模分析,對不同預應力施工方案進行了全 面的分析,提出了簡單易行的最佳解決方案,即先張 拉豎向預應力鋼絞線,再由中間向上下兩端對稱張拉 環向預應力鋼絞線的施工方案[10-11]。另外增大罐壁底 端截面厚度后確實能有效地控制混凝土裂縫的產生。 經實際項目施工驗證,證明本項目研究的結果是準確 的,提出的設計解決方案是有效可行的。 參考文獻 研究探討l [1】張云峰,張彬,岳文彤.內罐泄漏條件下LNG混凝土儲罐預應力 外墻模態分析【J】.大慶石油學院學報,2008(6):35—38. 【2】FISCHER D.Dynamic Fluid Effects in Liquid Flexible Cylindrical Tanks .Ea~hquake Engineering and Structural Dynamics, 1 979(4):78—80. 【3】居榮初,曾心傳.彈性結構與液體的耦聯振動理論【M】北京:地 震出版社,1 983(4):55—58. 【4]呂娜娜,謝劍,楊建江.大型LNG低溫儲罐建造技術綜述【J】_特種 結構,2010(2):28—30. 【5】吳浩,盧云祥.上海LNG儲罐外罐的建造方案研究【J1.中國水運, 2008(3):32—34 【6】李建軍LNG儲罐的建造技術【J】.焊接技術,2006(2):98—100. 【7】顧安忠液化天然氣技術【M】.北京:機械工業出版社,2003: 102-103 【8】周留才超大型筒倉的發展及其在火電廠的應用概況[J】電力建 設,1999(5):45—47. 【9】楊建江,慈芳大型LNG儲罐在高溫狀態下外壁溫度場及應力 分布有限元分析[J】.天津大學學報,2012(6):87—89 【1 0】張永鴻.預應力鋼筒混凝土管生產工藝及性能特征【J】.特種結 構,2000(1):31—33. ? 】SH 3048—1999,石油化工鋼制設備抗震設計規范【s】. 作者簡介: 鐘曦(1983一),男,江西吉安人,工程師,2009年畢業于同濟 大學土木工程專業,碩士,現從事工程項目設計管理方面的工作。 Email:zclq831 01 2@1 63.com 收稿日期:201 5-08—03;修畫日期:2015—12~O1 本期廣告索引 封面:中國石油獨山子石化分公司改擴建煉油及 新建乙烯工程榮獲201 4—201 5年度國家 優質工程金質獎 封2:獨山子千萬噸煉油百萬噸乙烯項目展示 扉頁:雅致集成房屋股份有限公司 中插1:成都熊谷加世電器有限公司 中插2、3:中國石油集團海洋工程有限公司 中插4、5:中國石油集團工程技術研究院 中插6、7:天津中油渤星工程科技有限公司 中插8、9:中國石油集團工程技術研究院建安所 中插1 0、1 1:中國石油集團工程技術研究院海工所 中插1 2:EPMC第二屆中國工程建設項目管理發展大會 后插1:沈陽飛研航空設備有限公司 后插2、3:上海前山管道技術有限公司 后插4、5:中國石油天然氣管道局第五工程公司 后插6、封3:中國石油集團海洋工程有限公司 海工事業部 封底:中國石油集團海洋工程有限公司工程設計院
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