大型LNG儲罐穹頂施工數值模擬

李建新 孫建剛 崔利富 鄒德磊

1東北石油大學土木建筑工程學院 2大連民族學院土木建筑工程學院3大連海事大學道路與橋梁工程研究所

大型LNG儲罐穹頂施工數值模擬

李建新1孫建剛2崔利富3鄒德磊1

1東北石油大學土木建筑工程學院 2大連民族學院土木建筑工程學院3大連海事大學道路與橋梁工程研究所

以16萬立方米大型LNG儲罐穹頂為例，應用ADINA有限元軟件進行LNG儲罐穹頂混凝土施工過程的溫度場和應力場的耦合分析。從第一次至第四次澆筑溫度曲線，梁部溫度包絡圖以及混凝土、板溫度包絡圖可以看出：板溫度接近砼的溫度，溫度隨水化熱曲線先較快上升，后緩慢下降；節點溫度最高值出現在混凝土澆筑后的2～3 d內，最大值為57.2℃，最大的溫度變化梯度發生在30～60 h。環向應力分析證明：梁和板的環向應力受到溫度的影響也呈先增大再緩慢減小的變化趨勢；最大值出現在混凝土澆筑后30～60 h，即出現在溫度最高的時刻。

LNG儲罐穹頂；傳熱；溫度場；熱結構耦合；應力

LNG儲罐穹頂大體積混凝土澆筑過程水化熱量巨大，混凝土水化熱溫度場對鋼結構穹頂的應力影響關系到施工過程的安全，因此有必要對LNG儲罐穹頂混凝土澆筑過程中鋼結構穹頂的應力影響進行分析，以確保施工過程安全有序。

1 工程概況

LNG儲罐穹頂的直徑為82 m，拱高10.9 m；儲罐穹頂采用鋼與混凝土組合結構，底部由鋼板與鋼梁焊接成一體作為穹頂的骨架，鋼板上面澆筑鋼筋混凝土。鋼板厚度為6 mm；鋼梁由環梁和徑向梁組成，材料為“工”字鋼。邊緣混凝土厚度為0.8 m，中心處混凝土厚度為0.4 m，采用C50混凝土逆時針環向由外向內澆注，分4次完成；澆注寬度為3.7、5.5、9.8和23.9 m。澆筑過程中，根據澆筑階段的不同在罐體內施加不同的氣壓，澆筑完成一定時間后開始卸壓，每小時卸壓0.05 m水柱，20 h后卸壓完成。

2 穹頂有限元模型的建立

2.1 單元的選取

以16立萬米方大型LNG儲罐穹頂為例，建立ADINA有限元模型。LNG儲罐穹頂混凝土和鋼板單元采用8節點的三維實體單元，見圖1和圖2，鋼梁選用2節點的梁單元，見圖3。

2.2 熱參數的選取

由于工程中常用的混凝土結構一般處于常溫(0 ～100℃)，計算中一般取定值。本文根據文獻[1-2]參考值將其取為2.35 W/(m·K)，比熱c取為0.97 kJ/kg·℃。當溫度變化范圍不大時，同種金屬材料的導熱系數一般采用其溫度范圍內的平均值。本文中“工”字鋼和鋼板的導熱系數取為43 W/(m·℃)，比熱取為0.473 KJ/（kg·℃）。

對于混凝土溫度應力而言，線膨脹系數α是一個重要的參數，重要工程都通過試驗測定其數值。各國對線膨脹系數的推薦取值不同，如文獻[3]推薦的取值差別很大。在國內一般認為α=1×10-5℃-1。本文對α的取值采用國內的一般取值，將鋼材的線膨脹系數取為1.2×10-5℃-1。

對于熱交換系數，各學者在研究中的取值差異相當大。多數學者認為表面熱交換系數與結構周圍風速呈線性關系，并按一次函數取值進行分析。本文取混凝土的熱交換系數h=6.32+3.36v（v取3 m/s），單位W/(m·℃)；鋼板表面光滑，在空氣中的熱交換系數取為76.7 kJ/(m2·h ?℃)。

圖1 混凝土的有限元模型圖 2 鋼板有限元模型圖 3 鋼梁的有限元模型

2.3 施加荷載、邊界條件

混凝土單元的生成通過生死命令來模擬。通過混凝土熱生成曲線來施加內熱荷載。對流荷載根據混凝土單元生死命令施加在混凝土的表面和鋼板的上下表面，荷載的大小通過對流系數進行控制。混凝土瞬態溫度場分析采用第三類邊界條件。根據LNG儲罐穹頂施工時的實際工況，施加氣壓荷載。

3 數值模擬結果分析

應用ADINA有限元軟件中的TMC模塊，進行LNG儲罐穹頂混凝土施工過程的溫度場和應力場的耦合分析。初始溫度條件采用T|t=0=T0=18℃，認為混凝土澆筑時溫度與外界氣溫接近，來考慮混凝土施工過程中LNG儲罐穹頂的溫度場。通過對LNG穹頂受力分析，得到了梁和板的溫度分布、徑向應力和環向應力。

3.1 溫度分布

從第一次至第四次澆筑溫度曲線，梁部溫度包絡圖以及混凝土、板溫度包絡圖可以看出：板溫度接近砼的溫度，溫度隨水化熱曲線先較快上升，后緩慢下降；節點溫度最高值出現在混凝土澆筑后的2～3 d內，最大值為57.2℃，最大的溫度變化梯度發生在30～60 h。說明了在溫度上升階段，水化熱量大于表面散熱量；溫度下降階段，水化熱量逐漸減小，表面散熱量大于水化熱量。

3.2 徑向應力

從澆筑過程徑向應力最大值及澆筑部位徑向應力曲線可以看出：LNG儲罐穹頂澆筑過程中徑向應力最大值始終出現在穹頂中心處附近，溫度最高時，由溫度引起的應力達到最大，為137 MPa；混凝土澆筑部位梁板的徑向應力受溫度的影響隨時間也呈先增大、再緩慢減小的變化趨勢。

3.3 環向應力

從第一次澆筑梁板環向應力曲線，澆筑梁板環向應力云圖，澆筑過程環向應力最大值曲線可以看出：梁和板的環向應力受到溫度的影響也呈先增大、再緩慢減小的變化趨勢。最大值出現在混凝土澆筑后30～60 h，即出現在溫度最高的時刻。第一次澆筑的最大應力值出現在澆筑部位，最大壓應力為94.3 MPa；第二～四次澆筑最大環向應力出現在穹頂中心附近，最大拉應力為118 MPa。隨著溫度的降低，應力逐漸減小，當溫度恒定時，梁和板的環向應力保持不變。

4 結語

以16萬立方米大型LNG儲罐穹頂為例，應用ADINA有限元軟件進行LNG儲罐穹頂混凝土施工過程的溫度場和應力場的耦合分析。由于實際施工過程中，穹頂受力比較復雜，在有限元模擬過程中引入的一些假定與實際有一定的差別，如環境平均溫度假定，忽略了振搗荷載、人的活荷載以及混凝土澆筑的沖擊荷載等因素對穹頂的影響。國內外對LNG儲罐穹頂溫度場的研究較少，因此需要進一步進行理論研究及實驗研究，從而改進數值仿真的邊界條件和參數設定，提高仿真精度。

[1]朱伯芳．大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M]．北京:中國電力出版社，1999．

[2]楊世銘．傳熱學[M]．北京:高等教育出版社，2006．

[3]張子明，張研，宋智通．基于細觀力學方法的混凝土熱膨脹系數預測[J]．計算力學學報，2007，24（6）：808-809．

10.3969/j.issn.1006-6896.2011.11.013

（欄目主持 楊 軍）