溫朝臣 盧雙桂 劉進 蔣業(yè)東

【摘 要】預(yù)應(yīng)力張拉作為LNG儲罐預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)施工過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是在結(jié)構(gòu)中建立有效預(yù)應(yīng)力作用的唯一工序，而預(yù)應(yīng)力張拉控制力的計算精度直接決定預(yù)應(yīng)力構(gòu)件在完成預(yù)應(yīng)力施工后結(jié)構(gòu)中留存的永久預(yù)應(yīng)力。為了保證設(shè)計力的精確度，需要通過預(yù)應(yīng)力管道摩阻試驗，確定理論計算和試驗實測所得的預(yù)應(yīng)力摩擦損失之間的差距，并以此作為重新校核調(diào)整預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力的依據(jù)，從而真正建立設(shè)計所需的有效應(yīng)力。文章著重對某LNG儲罐工程用超低溫預(yù)應(yīng)力錨固體系的摩阻損失試驗研究及結(jié)果進行論述，為后續(xù)其他工程進行該類型試驗提供參考。

【關(guān)鍵詞】LNG儲罐;超低溫預(yù)應(yīng)力體系;預(yù)應(yīng)力管道摩阻試驗

【中圖分類號】TK172.4 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）06-0029-03

0 引言

隨著環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重，國家提高了各種污染源的治理力度，并大力推行安全、清潔、優(yōu)質(zhì)的能源戰(zhàn)略。天然氣作為一種清潔度極高的能源，開始得到大力推廣和應(yīng)用，其在能源使用中的占比也越來越高，運輸、儲存成為戰(zhàn)略推廣中亟待解決的問題，同時常規(guī)的天然氣體積非常大，為了降低成本，需要將常規(guī)氣體溫度降低到-165 ℃后液化儲藏，LNG（液化天然氣的英文縮寫）混凝土外罐作為LNG接收站工程的關(guān)鍵，其安全性、耐久性、剛度及失拱度備受關(guān)注，目前常用的混凝土外罐加固措施為增加超低溫預(yù)應(yīng)力錨固體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，并通過對稱張拉等相關(guān)預(yù)應(yīng)力施工工序，在結(jié)構(gòu)中建立有效預(yù)應(yīng)力。

1 預(yù)應(yīng)力管道摩阻試驗

1.1 預(yù)應(yīng)力管道摩阻試驗意義

通過預(yù)應(yīng)力管道的摩阻損失試驗，可以在張拉施工前有效校準(zhǔn)預(yù)埋管道的摩擦損失影響參數(shù)，為預(yù)應(yīng)力張拉理論提供依據(jù)。如果水平管道的控制張拉力參照曲線管道的控制應(yīng)力，可能會出現(xiàn)局部超張拉應(yīng)力，使得LNG混凝土外罐的實際反拱度大于設(shè)計反拱度，給施工帶來一定風(fēng)險;考慮摩擦阻力偏小時，又使得張拉控制力設(shè)計偏小，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中獲得有效預(yù)應(yīng)力不足，從而影響LNG混凝土外罐的質(zhì)量和安全性。為驗證某LNG儲罐工程預(yù)應(yīng)力管道摩擦損失影響參數(shù)的取值是否合理，需要通過預(yù)應(yīng)力管道摩阻損失試驗進行驗證。本文主要論述該試驗的具體方法及結(jié)果，為后續(xù)其他工程進行同類型試驗提供參考。

1.2 預(yù)應(yīng)力管道摩阻試驗

1.2.1 試驗前分析及內(nèi)容

1.2.1.1 試驗前分析

本次預(yù)應(yīng)力管道摩阻損失試驗擬在某LNG儲罐工程進行正式預(yù)應(yīng)力施工前進行，試驗前先進行如下分析工作。

（1）對工程構(gòu)件結(jié)構(gòu)進行分析。某LNG儲罐為16萬m3儲量的儲罐，混凝土外罐采用后張法有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力體系鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，外罐底板直徑為88.8 m，厚度為0.8 m，混凝土筒體內(nèi)直徑為φ82 m，外直徑為φ83.6 m，筒體墻高40 m，筒體壁厚0.8 m，筒體墻的四周均勻布置4個扶壁柱。預(yù)應(yīng)力鋼絞線束布置在筒體墻和扶壁柱內(nèi)，由筒體墻環(huán)向水平鋼絞線束、筒體墻豎向鋼絞線束和扶壁柱豎向鋼絞線束組成。筒體墻水平預(yù)應(yīng)力鋼絞線束繞筒體墻半圈，對應(yīng)的兩束形成一圈水平布置在筒體墻內(nèi)，分別錨固在對稱的4個扶壁柱上，每束長約131 m。筒體墻豎向預(yù)應(yīng)力鋼絞線束一端錨固在筒體墻頂部的環(huán)梁上，另一端錨固在罐體底板內(nèi)，每束長約41 m。筒體墻扶壁柱內(nèi)豎向預(yù)應(yīng)力鋼絞線束共有8束，一端錨固在扶壁柱頂部，另一端錨固在扶壁柱底部，每束長約39 m。

（2）結(jié)合以上LNG儲罐工程結(jié)構(gòu)特征可知，其布設(shè)的預(yù)應(yīng)力束分為水平環(huán)向曲線束和豎向直線束兩種。對產(chǎn)生摩阻損失的因素進行分析，其主要存在以下幾個方面：？譹？訛預(yù)應(yīng)力管道的安裝偏差。在布設(shè)預(yù)應(yīng)力管道時，會存在一定的安裝公差，而且澆筑混凝土?xí)r也會導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力管道偏移走位。管道產(chǎn)生位置偏差后會使張拉時產(chǎn)生摩阻損失[1]。？譺？訛鋼絞線之間的摩擦損失。在LNG儲罐工程中通常采用單根穿束的方式進行穿束，不可避免的存在部分鋼絞線打絞的現(xiàn)象，鋼絞線打絞后再進行預(yù)應(yīng)力張拉時會相互摩擦產(chǎn)生摩組;環(huán)向水平曲線束的鋼絞線因自重下墜亦會相互接觸摩擦產(chǎn)生摩阻。？譻？訛鋼絞線同預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)壁接觸產(chǎn)生摩阻損失。不論環(huán)向水平曲線束還是豎向直線束都會與預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)壁相互接觸產(chǎn)生摩擦損失;而對于環(huán)向水平曲線束，還存在預(yù)應(yīng)力筋對預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)壁徑向垂直擠壓力所引起的摩擦損失，該摩阻損失力較大，會隨著鋼絞線彎曲角度之和成比例增加。？譼？訛與預(yù)應(yīng)力束的長度相關(guān)，兩者成正比的關(guān)系。？譽？訛與預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)壁及鋼絞線表面的光潔度相關(guān)，此兩者摩擦系數(shù)越大，產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失也越大。

（3）根據(jù)工程項目的技術(shù)文件、《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3650—2020）[1]及《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG/T 3362—2018）[2]，經(jīng)過分析，認(rèn)為本LNG工程儲罐預(yù)應(yīng)力施工的關(guān)鍵是如何按設(shè)計要求建立有效的預(yù)壓應(yīng)力以平衡各種不利工況作用下儲罐產(chǎn)生的不利應(yīng)力。通常情況下，預(yù)應(yīng)力專業(yè)施工單位在實際工程中均按照預(yù)應(yīng)力施工圖紙進行施工，其中張拉控制應(yīng)力由設(shè)計單位提供，設(shè)計單位根據(jù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力進行相應(yīng)配筋且預(yù)應(yīng)力有效應(yīng)力也是根據(jù)相關(guān)規(guī)范的公式進行計算，但這個預(yù)應(yīng)力有效應(yīng)力常常與施工中實際產(chǎn)生的有效應(yīng)力存在偏差，因此為了建立設(shè)計所需的有效應(yīng)力，就需要通過試驗即預(yù)應(yīng)力管道摩阻試驗（現(xiàn)場或試驗室試驗）采集數(shù)據(jù)求導(dǎo)出準(zhǔn)確的μ和k值，然后根據(jù)公式計算出預(yù)應(yīng)力管道摩阻損失，進一步確定建立設(shè)計所需的有效應(yīng)力相對應(yīng)的張拉控制應(yīng)力。

（4）針對該LNG項目儲罐的預(yù)應(yīng)力而言，由于按實體筒壁進行測試預(yù)應(yīng)力管道摩阻損失值只能推導(dǎo)出kx+μθ的組值，而不能求導(dǎo)出μ和k的唯一值，因此需要通過3組預(yù)應(yīng)力直線構(gòu)件試驗測出管道摩阻損失值，直線管道的摩阻損失中θ值為0，可以直接求出k值，然后在實體筒壁測試預(yù)應(yīng)力管道摩阻損失值時就可以求出μ值。并且在試驗前，要事先在地上同一直線上用混凝土澆筑一段用于試驗用混凝土構(gòu)件，在澆筑時把3根預(yù)應(yīng)力波紋管和錨座埋在構(gòu)件中間位置，用于測試k值。

1.2.1.2 試驗內(nèi)容

試驗的內(nèi)容主要有管道摩阻損失系數(shù)，即在預(yù)應(yīng)力筋張拉時，在預(yù)應(yīng)力筋穿過的預(yù)留管道中，由于預(yù)應(yīng)力筋與管道之間摩擦所產(chǎn)生的比例系數(shù)與管道摩擦損失、管道曲線起彎角度、預(yù)留管道位置偏差等相關(guān)，因此管道摩阻損失系數(shù)包含預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道壁之間的摩擦系數(shù)μ和管道局部偏擺系數(shù)（或叫局部偏差摩擦系數(shù)）k。

試驗步驟如下：首先通過澆筑好的混凝土構(gòu)件測量出k值，其次測量水平環(huán)向曲線束的μ值。由于水平環(huán)形曲線束摩阻損失影響因素較豎向直線束多，管道長度大，因此選取工程中兩束水平環(huán)向曲線束進行摩阻損失試驗，分別為A束及B束。

1.2.2 試驗的具體過程

（1）取若干根工程中使用的1×7-15.7-1860鋼絞線和若干套19孔錨具。試驗前，把已下好料的鋼絞線采用人工穿束的方式穿入波紋管內(nèi)，兩端套上錨具，安裝錨具時需確保其同預(yù)應(yīng)力束同軸對中，然后呈水平放置在預(yù)先澆筑好的混凝土構(gòu)件內(nèi)，兩端各留出2 m左右的長度，用于安裝試驗用測力傳感器和張拉千斤頂。

（2）在兩端分別安裝測力傳感器，安裝完測力傳感器后再安裝千斤頂，一端張拉一端錨固，進行分級張拉，張拉測試前需檢查測力傳感器和張拉設(shè)備性能是否完好，確定測試設(shè)備和張拉設(shè)備性能良好后再進行張拉作業(yè)和測試，安裝時需確保張拉工具及設(shè)備與預(yù)應(yīng)力束同軸對中。通過張拉端與固定端測力傳感器之預(yù)應(yīng)力差值即為管道摩阻損失值，利用直線的測試數(shù)據(jù)求導(dǎo)出k值。

（3）每個直線束管道均測量3組數(shù)據(jù)，取平均值，張拉控制應(yīng)力為0.8 Fptk，兩端先同時張拉到控制應(yīng)力的10%，然后一端主動張拉，另一端被動張拉，主動端分級張拉至20%、40%、60%、80%、100%的張拉控制應(yīng)力，每個荷載等級都測量兩個測力傳感器之間的讀數(shù)差，即為該荷載等級下的摩擦損失，各等級的讀數(shù)差就是此次試驗的數(shù)值采樣點，據(jù)此計算k值。

（4）將測試出來的k值用于測試實體儲罐環(huán)向水平預(yù)應(yīng)力管道摩阻損失值。每個管道也分別進行3組試驗，取平均值，張拉控制應(yīng)力為0.8 Fptk，兩端先張拉到控制應(yīng)力的10%，然后一端主動張拉，另一端被動張拉，主動端分級張拉至20%、40%、60%、80%、100%的張拉控制應(yīng)力，每個荷載等級都測量兩個測力傳感器之間的讀數(shù)差，即為該荷載等級下的摩擦損失，各等級的讀數(shù)差就是此次試驗的數(shù)值采樣點，據(jù)此計算μ值。

1.3 預(yù)應(yīng)力管道摩擦損失計算依據(jù)

對于后張預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，鋼絞線與預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)壁之間摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失，可依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362—2018）6.2.2條要求進行驗證，計算公式如下：

σl1=σcon[1-e-（ μθ+kx）]

公式中：σl1為預(yù)應(yīng)力筋與管道壁之間的摩擦損失應(yīng)力值;σcon為預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力值;μ為預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道的摩擦系數(shù);θ為從張拉端至計算截面曲線管道部分切線的夾角之和（rad）;k為管道每米局部偏差對摩擦的影響系數(shù);x為從張拉端至計算截面的管道長度（m）[2]。

體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線和管道壁之間摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失僅計算現(xiàn)裝置和錨固裝置管道段，系數(shù)k和μ宜根據(jù)實測數(shù)據(jù)確定;當(dāng)無可靠實測數(shù)據(jù)時，系數(shù)k和μ按照表1取值。對于系數(shù)μ，無黏結(jié)鋼絞線取括號內(nèi)數(shù)值，光面鋼絞線取括號外數(shù)值。

1.4 試驗結(jié)果分析校核

根據(jù)以上實驗方案中的試驗和計算方法，并結(jié)合工程及試驗情況，按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362—2018）第6.2.2條進行校核計算。k值已通過預(yù)應(yīng)力直線構(gòu)件管道摩阻試驗實測計算得0.001 5，實測出A束和B束被動端預(yù)應(yīng)力值分別為1 908 kN及1 757 kN，σcon值、θ值及x值結(jié)合工程設(shè)計參數(shù)直接計算得出，將以上數(shù)據(jù)代入公式中進行計算，求導(dǎo)出A束及B束的摩擦系數(shù)μ。

σl1=σcon[1-e-（ μθ+kx）]

式中：σl1為預(yù)應(yīng)力筋與管道壁之間的摩擦損失應(yīng)力值：？墜l1'=4 240.8-1 908=2 332.8 kN（A束）;？墜l1"=4 240.8-1 757=2 483.8 kN（B束）。σcon為預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力值：δcon=19×279×0.8=4 240.8 kN。μ為預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道的摩擦系數(shù);θ為從張拉端至計算截面曲線管道部分切線的夾角之和（rad），θ=3.351 rad;k為管道每米局部偏差對摩擦的影響系數(shù)，k=0.001 5;x為從張拉端至計算截面的管道長度（m），x=131 m。

將各參數(shù)代入上述計算公式中，得：

μ'=0.179 6? （A束）;μ"=0.204 3? （B束）。

參照表1中體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋、預(yù)埋金屬波紋管及鋼絞線對應(yīng)的k值和μ值，其理論值分別為0.001 5及0.20～0.25，將實測值與理論值進行對比，結(jié)果較為優(yōu)異，可判定LNG儲罐工程環(huán)向水平曲線束摩阻損失值為合理。

2 結(jié)語

通過對某LNG儲罐工程的預(yù)應(yīng)力管道摩阻損失試驗結(jié)果進行分析可知：？譹？訛超低溫預(yù)應(yīng)力體系在相同的張拉預(yù)應(yīng)力下，對比其在有管道摩阻及無管道摩阻的條件下，實測鋼絞線的伸長量存在較大差異;造成預(yù)應(yīng)力管道摩阻損失的因素較多，主要包含預(yù)應(yīng)力管道布設(shè)方式、管道內(nèi)壁光潔度、管道長度、管道安裝精度、鋼絞線表面光潔度、鋼絞線在管道內(nèi)的安裝情況、施工規(guī)范性等因素，在諸多因素的影響下，同樣設(shè)計條件下的預(yù)應(yīng)力管道實測摩擦系數(shù)亦不相同。

鑒于預(yù)應(yīng)力管道的摩阻損失對工程結(jié)構(gòu)安全性影響極大，因此為了合理控制LNG混凝土外罐的施工質(zhì)量，保證其獲得設(shè)計有效應(yīng)力，通過管道的摩阻損失試驗測算出精確的摩阻損失值是非常有必要的。

參 考 文 獻

[1]JTG/T 3650—2020，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2]JTG 3362—2018，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].