LNG儲罐承臺大體積混凝土裂縫控制技術研究

鐘 曦

中海石油氣電集團有限責任公司，北京 100028

大體積混凝土防裂是土建結構施工中的主要難題。大體積混凝土在熟化過程中產生的水化熱會使混凝土內部溫度短時間內急劇升高，往往會導致大體積混凝土產生裂紋、裂縫，嚴重時可能產生貫穿縫。尤其在熱帶地區，混凝土入模溫度往往會高于規范規定的上限，使混凝土早期熱裂的可能性更大[1-2]。

在中國海油南方某已建LNG 儲罐施工過程中，通過突破混凝土配合比中水泥用量的下限以沖抵混凝土內部的熱應力，結合科學的分析方法給混凝土內部增加抗裂鋼筋實現防裂[3-4]，此次嘗試達到了預期目的。

1 LNG儲罐承臺底板結構

該LNG 全容儲罐的底板直徑82.72 m、面積5 374 m2、混凝土用量6214m3。底板外圈區（3 圈）由212 根直徑1.2 m 的鋼筋混凝土灌注樁支承；中心區由216 根直徑1.2 m 的鋼筋混凝土灌注樁支承，正交十字形布置。中心區底板厚1.1 m，架空1.7 m；外圈區底板厚1.3 m，架空1.5 m。

承臺底板混凝土澆筑采用分區跳倉法施工，按照1 ～5 區的順序依次進行（見圖1）。中心區混凝土用量990 m3，外圍四個區中每個區的混凝土用量均為1 306 m3。

由于施工現場陸域形成時吹砂量有余量，故在施工組織設計階段進行承臺底板施工時就嘗試使用砂胎模板工藝，其工藝安排見圖2。該工藝避免了常規鋼支架模板費用，且砂胎模板具有天然的保溫性能，因此有利于混凝土養護階段的保溫保濕，有利于減少溫度裂縫[5]。

圖1 承臺底板混凝土澆筑分區

圖2 承臺底板局部剖面

2 建模及研究對象設定

建模及研究的目的是基于自然環境、施工材料、施工工藝等因素提取參數，使用有限元軟件對大體積混凝土早期熟化過程中水化熱產生的情況進行模擬熱工分析，根據分析結果得出需采取的相應防裂措施。

2.1 研究對象設定

混凝土早期的熱應力分析采用三維建模法，這里選取最具代表性、最不利條件下的底板1/4 模型作為分析對象（如圖3 所示），所有影響混凝土絕熱溫升的因素都根據現場實際施工情況來設定[6]。

在參數設定時，將底板下面的混凝土灌注樁頭和壓實的回填砂（胎模） 看作固定不動的整體。

2.2 有限元軟件

混凝土早期的熱應力分析所使用的有限元軟件ANSYS 能夠模擬混凝土結構瞬態導熱并進行應力分析，能夠模擬混凝土在熟化過程中內部溫度變化的情況、材料性能的溫度依賴性和時間依賴性、混凝土澆筑中邊界因素的變化和邊界條件的變化以及裂縫的產生機理[7]。

圖3 典型工況分析模型

2.3 混凝土齡期

與新澆筑混凝土接觸的舊混凝土，其齡期是影響混凝土裂縫產生的原因之一。用于分析的舊混凝土齡期是根據施工進度計劃（見表1） 確定的，在充分考慮了混凝土材料熟化差異性的情況下，選擇包括承臺底板1、2、5 區各一部分的典型區塊作為分析對象。

表1 混凝土澆筑計劃

3 分析參數設定

3.1 混凝土配合比

經反復試配并測溫驗證，最終選擇了如表2 所示的混凝土配合比。

表2 用于熱應力分析的混凝土配合比

該配合比突破了規范JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》對C50 混凝土的水泥最小用量規定的下限（330 kg/m3） 的要求，且通過增加礦粉和粉煤灰使膠凝材料總量超過了規范建議的上限（480 kg/m3）。考量原因：第一，降低了混凝土的水化熱總量，盡量使混凝土內部最高溫度不超過80 ℃；第二，保證了混凝土的強度；第三，提高了混凝土水膠比，和易性更好，有利于泵送作業。

表3 底板混凝土的特征值[8]

3.2 材料性能

根據承臺底板所用混凝土原材料檢測結果分析得到的混凝土物理力學性能見表3，其絕熱溫升如圖4 所示。

表4 底板混凝土的熱學性能

圖4 底板混凝土絕熱溫升

3.3 傳熱系數

有限元軟件分析所用的熱傳遞系數的輸入值見表5。

表5 熱傳遞系數

4 模型熱裂分析

4.1 混凝土溫度

熱分析結果見圖5，該云圖顯示的是混凝土內每個節點的最高溫度。混凝土入模溫度（實測值）為30.5 ℃，混凝土升降溫過程見圖6。

圖5 混凝土溫度分布云圖

圖6 混凝土升降溫過程

4.2 熱應力分析

1 區的熱應力分析結果如圖7 所示：X 和Y 方向的熱應力小于混凝土抗拉強度（2.64 MPa），僅需正常養護，無需采取其他措施。

2 區的熱應力分析結果如圖8 所示：X 方向沿舊施工縫處的熱應力超過了混凝土的抗拉強度，Y方向的熱應力小于混凝土的抗拉強度。

圖7 1 區混凝土熱應力

圖8 2 區混凝土熱應力

5 區的熱應力分析結果如圖9 所示：在舊施工縫附近沿X 方向，混凝土內部產生的熱應力超過了混凝土的抗拉強度（局部5 MPa）；與2 區相接的施工縫附近沿Y 方向，混凝土內部產生的熱應力也超過了混凝土的抗拉強度。

Z 軸：承臺底板滿布了φ16@450 的拉結筋，且在抗熱裂鋼筋排距225 mm 的范圍內增加了φ16@450 的拉結筋。Z 軸的任意區域拉結筋橫截面積均與X、Y 軸在同一區域縱截面面積相同，故無需重復計算。

綜上分析，混凝土內部因絕熱溫升而引起的拉應力超過混凝土自身抗拉強度的區域（見圖10） 主要分布在：第一，后澆筑的2 ～5 區內與鄰近1 區舊施工縫平行的6 500 mm 范圍內；第二，4、5 區內與2、3 區舊混凝土施工縫平行的5 200 mm 范圍內。

圖9 5 區混凝土熱應力

圖10 早期混凝土內部拉應力較大區域分布

5 抗熱裂鋼筋數量計算

2 區X 方向、5 區X 和Y 方向早期抗熱裂鋼筋的數量計算分別見圖11 ～13。計算時，鋼筋的允許最大拉應力保守取值100 MPa。

圖11 2 區X 方向附加鋼筋計算

圖12 5 區X 方向附加鋼筋計算

圖13 5 區Y 方向附加鋼筋計算

6 結束語

施工完成后，經短期（14 d） 和長期（9 個月） 觀察，儲罐承臺底板的上、下表面均未發現裂縫，達到了預期目的。因此，合理突破混凝土配合比中水泥用量下限的規定以降低水化熱，并經有限元軟件分析計算，在混凝土內部增加抗熱裂縫鋼筋，對控制大體量、大體積混凝土在熱帶地區高溫施工環境下有害裂縫的產生是有效的。