李 文， 張金晶， 李 寧， 王金國， 楊云艷

( 1. 東北石油大學 土木建筑工程學院，黑龍江 大慶 163318； 2. 東北石油大學 黑龍江省防災減災及防護工程重點實驗室,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世紀將成為“天然氣的世紀”[1].將天然氣液化對天然氣的儲存和運輸具有明顯的優(yōu)越性.液化天然氣具有便于經(jīng)濟可靠的遠距離運輸，儲存效率高，占地少，便于供氣負荷的調節(jié)，儲存規(guī)模易于大型化等優(yōu)點.液化天然氣儲罐是天然氣接收站的主要設施，保證液化天然氣儲罐的正常運行是天然氣接收站正常運轉的關鍵[2].

國外對LNG儲罐內罐進行研究，而對于外罐研究較少.Jeon S J等研究預應力LNG儲罐的各項結構參數(shù)對結構的受力性能的影響，得出合理的結構參數(shù)取值[3].Rostasy F S等證明預應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的取值[4].在外墻預應力筋設計方面，法國索菲公司積累豐富的設計經(jīng)驗和現(xiàn)場施工經(jīng)驗.國內對LNG儲罐的研究剛剛起步，項忠權對儲罐類結構的抗震問題進行研究[5]；翁智遠以核動力工程中的反應堆容器為對象，對其液固耦合振動以及抗屈曲理論等進行研究[6].張云峰等采用橡膠支座對儲罐的隔振效果進行分析[7].國內缺乏對其系統(tǒng)的理論分析與研究，特別是針對外罐預應力張拉工藝方面的研究還很少.

筆者擬對LNG儲罐外罐進行預應力后張拉模擬實驗，并得出預應力罐體在預應力自上向下和自下向上不同順序施加過程中，外罐的應力、位移及其變化規(guī)律，得出外罐預應力的正確張拉順序，為預應力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[8].

2 有限元模型

2.1 假設條件

文中材料與邊界假設與文獻[8]相同.

2.2 建立

文中所取有限元單元、對預應力筋進行等效降溫法的過程和方法與文獻[8]相同.

在進行環(huán)向張拉時，根據(jù)結構和荷載的對稱性，取罐壁的1/4部分進行建模，在其兩側邊加上對稱約束，以消除切向位移的影響.LNG儲罐外罐罐壁與環(huán)向預應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 預應力LNG儲罐耦合模型

圖2 預應力LNG儲罐有限元約束模型

3 環(huán)向預應力鋼筋張拉實驗

3.1 張拉方案

對預應力筋進行一次張拉，采用等效降溫法模擬無黏結預應力筋的張拉，取張拉控制應力σcon= 0.75fptk(fptk為預應力筋的標準強度)，取初始溫度為0 ℃，降溫至-770 ℃[8,11-13].

環(huán)向預應力筋分別從底部向上和從頂部向下依次張拉.環(huán)向預應力筋共配置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力、位移

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

3.3 結果分析

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)應力方面.自下向上或自上向下不同張拉順序的方案最大應力接近，即當最終施加全部預應力筋的應力后，外罐混凝土的最大應力基本相同.張拉過程中，最大應力均符合材料強度的要求，同時也符合《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，當張拉至外罐1/4高度處，外罐的應力達到較大(5.51 MPa)；當張拉高度在外罐1/4～1/3之間時最大應力達到一個峰值；之后外罐應力曲線呈一個平緩的下坡.自上向下張拉時，應力峰值出現(xiàn)在最終張拉結束之時.在張拉過程中，應力保持在較低的數(shù)值(相對自下而上方案).從應力角度分析，自上向下的順序張拉預應力筋的方案對結構影響較小，結構處于更安全的狀態(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，其變形呈上升趨勢；當張拉完成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)向張拉最大應力分析曲線

圖4 環(huán)向張拉最大位移分析曲線

4 結論

(1)應用ANSYS有限元軟件模擬分析LNG儲罐外罐壁的應力、位移響應，對預應力筋的張拉采用等效降溫法進行模擬.對比分析自下向上和自上向下最大應力、位移曲線，不同張拉順序下，應力、位移最終趨于相同，只是在張拉過程中應力、位移不同，對結構產(chǎn)生的影響也不同.

(2)張拉過程中(除起始和終止點外)應力變化穩(wěn)定，無明顯波動.且除起始和終止點外，由下向上張拉平均應力為5.52 MPa，由上向下張拉平均應力為3.89 MPa，由上向下張拉比由下向上張拉混凝土的應力小42%.張拉過程中，最大應力峰值為5.68 MPa，只有混凝土抗壓設計強度(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，待混凝土強度達到75%的抗壓標準強度時，即可張拉預應力筋.

(3)現(xiàn)場施工時，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，建議采用自上向下的施工方案.