文小鋒

(中國(guó)石化集團(tuán)洛陽石油化工工程公司，河南洛陽 471003)

1 概述

在中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，為保障經(jīng)濟(jì)的能源動(dòng)力卻極度緊缺，液化天然氣(LNG)作為一種清潔、高效、方便、安全的能源，其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在中國(guó)的能源市場(chǎng)已越來越受到重視。16萬m3LNG全容罐是國(guó)內(nèi)接收站項(xiàng)目中最常用的儲(chǔ)罐類型之一，其內(nèi)罐為9%鎳鋼筒，外罐為后張法預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墻厚800 mm，墻內(nèi)壁半徑41 m，設(shè)計(jì)溫度為－165℃。

下面以16萬m3儲(chǔ)罐為例，詳細(xì)介紹LNG儲(chǔ)罐外墻內(nèi)豎向和環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束理論伸長(zhǎng)值的精確計(jì)算方法。

2 預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)條件

2.1 預(yù)應(yīng)力材料特性

預(yù)應(yīng)力鋼束及錨具均按德國(guó)DYWIDAG公司產(chǎn)品采用，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=195 GPa，考慮錨具及千斤頂2%的瞬時(shí)摩擦損失;單根鋼絞線截面積A=150 mm2，豎向鋼束每束12根As=1 800 mm2，張拉控制應(yīng)力δk=1 467 MPa;環(huán)向鋼束每束19根Ah=2 850 mm2，張拉控制應(yīng)力δk=1 488 MPa。

2.2 預(yù)應(yīng)力張拉控制

混凝土強(qiáng)度達(dá)到90%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼束張拉，張拉程序?yàn)?0→0.2δk(讀初讀數(shù))→1.0δk(持荷 2 min，測(cè)最后伸長(zhǎng)值)→錨固回油放松。預(yù)應(yīng)力施工過程中最大張拉力:豎向鋼束 Fs=2 640.6 kN;環(huán)向鋼束 Fh=4 240.8 kN。

2.3 預(yù)應(yīng)力鋼束布置

如圖1所示，豎向鋼束從檐梁頂?shù)匠信_(tái)底總長(zhǎng)為40.889 m，間距1.811 m，其在承臺(tái)底部錨固，檐梁頂為張拉端;環(huán)向鋼束每根為180°半圓，兩根組成一組，對(duì)稱布置成一個(gè)圓周，在均布的四個(gè)扶壁上錨固，兩端張拉，取1/4圓周計(jì)算，半根長(zhǎng)度為67.2 m，其中直線段長(zhǎng)2 m，反曲線段長(zhǎng)2 m，反向總曲率4.61°，正曲線段長(zhǎng)63.2 m，正向總曲率87.24°，由于環(huán)向鋼束在儲(chǔ)罐外墻高度范圍內(nèi)間距不等，此處取間距0.4 m時(shí)計(jì)算。

2.4 分段計(jì)算鋼束理論伸長(zhǎng)值

考慮國(guó)內(nèi)沒有LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)規(guī)范，為方便計(jì)算，伸長(zhǎng)值采用國(guó)外規(guī)范要求分段計(jì)算。豎向鋼束為直線，張拉端為A點(diǎn)，錨固端為E點(diǎn)，中間B，C，D點(diǎn)4等分鋼束;環(huán)向鋼束張拉端為A點(diǎn)，直線段端部為B點(diǎn)，反曲線段末端為C點(diǎn)，鋼束正曲線段中點(diǎn)(計(jì)算末端)為H點(diǎn)，中間D，E，F(xiàn)，G點(diǎn)5等分正曲線段。

3 鋼束理論伸長(zhǎng)值分段計(jì)算

3.1 總伸長(zhǎng)值

3.2 預(yù)應(yīng)力鋼束伸長(zhǎng)值ΔLp

其中，Px，0為距張拉端任一點(diǎn) x 處的預(yù)應(yīng)力值，且 Px，0=P0·e－μ(θ+k·Lp)，P0為起始端部施加預(yù)應(yīng)力，θ為從起始端至計(jì)算截面曲線孔道各部分切線的夾角之和，rad，μ為預(yù)應(yīng)力筋與孔道壁之間的摩擦系數(shù)，μ=0.19，k為孔道每米長(zhǎng)度局部偏差的摩擦系數(shù)，k=0.005 79;Lp為鋼束長(zhǎng)度;Ap為鋼束橫截面積。計(jì)算結(jié)果見表1，表 2。

表1 豎向鋼束伸長(zhǎng)值ΔLp計(jì)算

表2 環(huán)向鋼束伸長(zhǎng)值ΔLp計(jì)算

3.3 混凝土彈性變形ΔLc

其中，σcm為預(yù)應(yīng)力鋼束中心處由預(yù)應(yīng)力在混凝土橫截面上產(chǎn)生的平均應(yīng)力;Lc為混凝土桿件長(zhǎng)度。

混凝土彈性變形ΔLc計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 混凝土彈性變形ΔLc計(jì)算

3.4 錨板及固定端的夾片滑移造成的伸長(zhǎng)值總和ΔLsl

根據(jù)DYWIDAG公司相關(guān)說明書:張拉端錨具滑移為1 mm，固定端錨具滑移為6 mm，故總滑移量為7 mm。

3.5 千斤頂及臺(tái)座內(nèi)伸長(zhǎng)值ΔLe

其中，P為千斤頂張拉力;Le為千斤頂及臺(tái)座內(nèi)鋼束長(zhǎng)度。千斤頂及臺(tái)座內(nèi)伸長(zhǎng)值ΔLe計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 千斤頂及臺(tái)座內(nèi)伸長(zhǎng)值ΔLe計(jì)算

因此可以得到各預(yù)應(yīng)力鋼束總的伸長(zhǎng)值，豎向?yàn)?94.78+1.92+7+5.27=308.97;環(huán)向?yàn)?838.56+39.25+7+6.1=890.91 mm。

4 結(jié)語

預(yù)應(yīng)力技術(shù)在LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)中非常重要，國(guó)內(nèi)規(guī)范預(yù)應(yīng)力筋伸長(zhǎng)值計(jì)算公式只考慮了鋼束在自身平均應(yīng)力作用下的伸長(zhǎng)值，沒有考慮混凝土彈性變形值、錨具滑移量、千斤頂及臺(tái)座內(nèi)的伸長(zhǎng)值，從上面計(jì)算中我們可知，該三項(xiàng)值占總伸長(zhǎng)值的百分比分別為:豎向4.60%，環(huán)向5.88%;雖然其所占比例較小，但是由于實(shí)測(cè)伸長(zhǎng)值與理論伸長(zhǎng)值的差值應(yīng)控制在6%以內(nèi)，如果忽略該三項(xiàng)的值，就比較容易造成理論伸長(zhǎng)值與實(shí)測(cè)伸長(zhǎng)值超過規(guī)范要求的狀況。因此，在鋼束張拉過程中，出現(xiàn)伸長(zhǎng)值超規(guī)范要求時(shí)，要核對(duì)理論伸長(zhǎng)值計(jì)算方法是否精確。當(dāng)然，這只是其中的一個(gè)原因，另外還需對(duì)張拉器具、儀表讀數(shù)校驗(yàn)、鋼絞線質(zhì)量以及操作程序等因素進(jìn)行檢查，只有逐項(xiàng)分析找出真正的原因，才能確保LNG儲(chǔ)罐預(yù)應(yīng)力施工的質(zhì)量。

[1] JTG/T F50-2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2] BS EN 1992-1-1:2004，Eurocode 2:Design of concrete structures[S].

[3] http://www.dywidag-systems.com/downloads.DYWIDAG Bonded Post-Tensioning Systems using Strands.

[4] 曲線預(yù)應(yīng)力鋼絞線理論伸長(zhǎng)值分段計(jì)算探討[J].預(yù)應(yīng)力技術(shù)，2007(5):8-10，13.