LNG預(yù)應(yīng)力儲罐穹頂混凝土分圈澆筑技術(shù)研究

鐘 曦

中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京100028

儲罐罐頂?shù)囊r板通過頂梁框架支撐，用來作為罐頂混凝土澆筑時(shí)用的模具。頂梁框架主要用來對罐頂襯板進(jìn)行支撐，直到澆筑的混凝土罐頂自身獲得足夠的強(qiáng)度。混凝土凝固之后，除了頂梁框架及懸吊頂?shù)淖灾刂獾钠渌休d荷都將由混凝土罐頂支撐。在罐頂澆筑混凝土期間，將會向儲罐內(nèi)充壓以減輕作用在支架結(jié)構(gòu)上的載荷。

目前，國內(nèi)外已建成大型LNG全容儲罐的穹頂混凝土澆筑施工，大部分采用分層澆筑的方法，即將350～450 mm厚的混凝土穹頂結(jié)構(gòu)按200 mm左右的厚度分為兩層進(jìn)行澆筑，這樣可以減少每層澆筑時(shí)的混凝土荷載，從而保證鋼制頂梁框架在澆筑過程中的受力和穩(wěn)定性。此施工方法工期較長，且分層澆筑將人為地增加一道施工縫，破壞了混凝土結(jié)構(gòu)的整體性，降低了結(jié)構(gòu)的抗震性能。

本文結(jié)合實(shí)際工程案例，探討了一種全新的混凝土分圈不分層澆筑、保壓壓力逐級增加的施工工法，不但解決了混凝土澆筑壓力過大的問題，且避免了施工縫的出現(xiàn)，增加了穹頂混凝土結(jié)構(gòu)的整體性，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的抗震性能，同時(shí)大大加快了施工進(jìn)度，節(jié)約了成本。本文的研究成果對于優(yōu)化大型LNG儲罐穹頂混凝土澆筑施工方法，制訂相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范具有一定的指導(dǎo)意義。

1 頂梁框架設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程儲罐凈容積16萬m3，內(nèi)罐直徑82 m，外罐內(nèi)徑84 m，穹頂半徑84 m，穹頂混凝土中心區(qū)厚度400 mm。穹頂鋼結(jié)構(gòu)包括襯板和頂梁框架，襯板厚度為6 mm，采用S275J2碳鋼板；頂梁框架如圖1所示，包括環(huán)梁和縱梁及中心環(huán)，均采用S355J2熱軋H型鋼。縱環(huán)梁如圖1所示，縱梁由104塊H型鋼組成，環(huán)梁由486塊H型鋼組成。襯板縱梁外緣直徑83.64 m，環(huán)梁共分7圈，各圈半徑分別為6、9.5、16、23、29、34和38.5 m。襯板總質(zhì)量279 698 kg、梁總質(zhì)量154 776 kg，穹頂鋼結(jié)構(gòu)總質(zhì)量434 474 kg。襯板允許抗力為176.3 MPa，頂梁框架允許抗力為202.1 MPa。

圖1 頂梁框架平面圖示意

2 荷載及其組合

由于環(huán)梁共分7圈，為了每圈混凝土澆筑時(shí)兩端有固定支撐，因此將混凝土澆筑圈數(shù)也定為7圈，這樣各圈混凝土澆筑時(shí)兩端均有環(huán)梁作為支撐，能有效地降低碳鋼襯板的應(yīng)力水平。各圈混凝土澆筑時(shí)，均通過鼓風(fēng)機(jī)向儲罐內(nèi)吹入空氣，通過增加內(nèi)部氣壓的方式減少混凝土澆筑荷載對襯板及頂梁框架的影響。在有限元模型中，通過變化不同氣壓進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)1～2環(huán)氣壓4 kPa、3～4環(huán)氣壓6.5 kPa，5～7環(huán)氣壓9.5 kPa時(shí)，襯板及頂梁框架的受力情況與屈曲情況都處于安全可控的區(qū)間。澆筑采用分圈不分層的澆筑方法，各圈都是整體澆筑，避免了分層澆筑帶來的層間施工冷縫。

本次技術(shù)研究采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，單元總數(shù)10 400，節(jié)點(diǎn)總數(shù)6 721。材料考慮非線性，S275J2屈服強(qiáng)度275 MPa；S355J2屈服強(qiáng)度355 MPa。本工程設(shè)計(jì)要求在前一圈混凝土立方體強(qiáng)度達(dá)到C30后，方可澆筑下一圈混凝土，因此假定前一圈混凝土澆筑后硬化，下一圈混凝土澆筑時(shí)不再考慮前一圈混凝土對襯板及頂梁框架的荷載效應(yīng)，認(rèn)為其與混凝土外罐是一整體結(jié)構(gòu)。圖2為頂襯板模型，圖3為頂梁框架模型。

圖2 頂襯板模型圖

圖3 頂梁框架模型

穹頂混凝土澆筑時(shí)頂梁框架考慮的荷載包括恒載（框架梁的自重、頂襯板、鋁吊頂?shù)鹊淖灾兀⒒钶d（2.4 kPa）、澆筑荷載（混凝土穹頂分7環(huán)澆筑，混凝土密度統(tǒng)一取為2 500 kg/m3）、氣壓荷載（1～2環(huán)4 kPa，3～4環(huán)6.5 kPa，5～7環(huán)9.5 kPa）、風(fēng)荷載（計(jì)入風(fēng)振系數(shù)、體型系數(shù)、高度變化系數(shù)）。

荷載組合分為受力計(jì)算時(shí)的組合及屈曲計(jì)算時(shí)的組合。荷載組合及組合系數(shù)如表1～2所示。

表1 受力計(jì)算時(shí)不同工況的荷載組合系數(shù)

表2 屈曲計(jì)算時(shí)不同工況的荷載組合系數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 受力計(jì)算

圖4、圖5是其中最不利工況5下頂襯板和頂框架梁的應(yīng)力云圖。

圖4 頂襯板應(yīng)力云圖

圖5 頂梁框架應(yīng)力云圖

從表3可見，頂襯板與頂梁框架的應(yīng)力水平均小于允許抗力，滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 不同工況下頂襯板及頂梁框架受力結(jié)果

3.2 屈曲計(jì)算

屈曲計(jì)算考慮雙非線性，即材料非線性和幾何非線性，并考慮初始缺陷。JGJ7-2010《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，初始缺陷可采用結(jié)構(gòu)的最低階屈曲模態(tài)，按結(jié)構(gòu)跨度的1/300考慮；考慮非線性時(shí)，其安全系數(shù)可取為2。表4是不同工況下頂襯板及頂框架梁屈曲計(jì)算結(jié)果匯總。

從表4可見，頂襯板與頂梁框架的屈曲計(jì)算安全系數(shù)均大于2，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

LNG預(yù)應(yīng)力儲罐穹頂混凝土分圈澆筑施工方法在保壓氣壓逐漸加大的過程中，頂襯板及頂框架梁的受力計(jì)算和屈曲計(jì)算結(jié)果都是安全可控的，頂襯板及頂框架梁應(yīng)力并沒有顯著增大，因此很好地解決了分層澆筑混凝土荷載過大的問題。

表4 不同工況下頂襯板及頂梁框架屈曲結(jié)果

在有限元精確計(jì)算的情況下，設(shè)置合理的保壓氣壓值及氣壓增加梯度，并合理劃分混凝土澆筑分塊區(qū)間及數(shù)量，能很好地解決混凝土分塊澆筑荷載較大的問題，同時(shí)避免了施工縫的產(chǎn)生，保證了混凝土結(jié)構(gòu)的完整性，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性。該穹頂混凝土分圈澆筑施工技術(shù)相對于傳統(tǒng)混凝土分層澆筑施工技術(shù)，具有縮短工期、降低造價(jià)、保證結(jié)構(gòu)完整性和抗震性能的優(yōu)點(diǎn)，值得大力推廣。