全容式LNG储罐混凝土外罐的预应力方案计算.pdf

第3 8 卷 第6 期 石 油工 程 建设 4 9 全容式 L N G储罐混凝土外罐的预应力方案计算 郑建华，李金光，程艳芬，武海坤 ( 中国寰球工程公司，北京 1 0 0 0 2 9 ) 摘 要 ：为确保全容式 L N G储罐混凝土外罐 的造价经济、受力合理，有必要对混凝土外罐施加预应 力 从工程设计的角度 出发以全容式 L N G储罐混凝土外罐的受力特性为基础对混凝土外罐预应力 方案的计算要点进行 了较全面的分析和总结提 出了简单易行的计算解决方案，并以 1 6万 m 3 L N G储 罐为例给 出了详细的计算过程 实践证明提 出的计算方案是正确的。 关键词 ：全容式 L N G储罐 ：混凝土外罐 ；预应力：设计 d o i ： 1 0 3 9 6 9 i i s s n 1 0 0 1 - 2 2 0 6 2 0 1 2 0 6 0 1 2 0 引言 全 容式 L N G储罐混凝 土外罐是 由圆形 底板 、 圆柱形罐壁和穹形罐顶组成 的超静定结构 在正常 操作状态下 由于内部蒸汽压力 的作用 罐顶和罐 壁都处于轴心受拉状态 由于混凝土的受拉性能很 差 若用它来抵抗轴心拉力的作用 则混凝土截面 厚度会很大 非常不经济。为了确保混凝土外罐的 造价经济 、受力合理 ，有必要对混凝土外罐施加预 应力 以此来提高混凝土外罐的受力性能这也是 国外 的 L N G储 罐设 计规 范 B S 7 7 7 7 3 1 9 9 3 、E N 1 4 6 2 0 3 2 0 0 6推荐的技术方案 本文通过对全容式 L N G储罐混凝土外罐在起 控制作用的荷载作用下的受力特性分析 结合规范 要求 对预应力方案的计算要点进行 了分析 并 以 l 6万 m3 L N G储罐为例，给出了详细的计算过程 。 1 混凝 土外 罐的 受 力特性 全容式 L N G储 罐混凝土外罐 的罐顶是穹形结 构 也 即是球冠 作用于罐顶上表面的恒 、活荷载 属于外压荷载 它们使罐顶截面受压 ：罐顶混凝土 自重是均布荷载 也属于外压荷载 它使混凝土截 面轴心受压 ：作用于罐顶内表面的操作工况蒸汽压 力或气压试验压力都属于内压荷载 它们使罐顶截 面轴心受拉。在上述荷载的组合作用下 ，罐顶混凝 土截面应受压或可控性受拉 即强度计算时 通过 普通配筋能满足强度承载力要求 正常使用时这些 普通配筋可满足抗裂缝要求 故罐顶可不施加预应 力 。即仅采用钢筋混凝土结构即可 全容式 L N G储罐混凝土外罐 的罐壁是圆柱形 结构。罐顶结构 自重及其外表面恒 、活荷载使罐壁 竖 向轴心受压、环向轴心受拉 ：操作工况蒸汽压力 或气压试验压力使罐壁竖向和环向都轴心受拉 ：内 罐泄漏后 的液体对罐壁 的静水压力使罐壁竖 向受 弯 、环向轴心受拉：罐壁内外表面的温度效应使罐 壁竖 向和环 向都受弯 。在上述荷载的组合作用下 罐壁的竖向和环 向都会产生很大的拉力 这些力若 完全 由混凝土 自身来抵抗 则截面尺寸会非常大 故可在罐壁的竖向和环向设置预应力来平衡拉力作 用 以减小截面尺寸 全容 式 L N G储 罐混凝土外罐 的底 板为 圆形 可直接坐落在地基或桩基上 。在组合荷载作用下 混凝土截面处于压弯或拉弯受力状态 可通过配置 普通钢筋来满足强度和正常使用 的要求 。即可不施 加预应力 。 2 预 应 力方案 计算 要点 2 1 罐壁的竖向预应力计算 罐壁竖 向预应力的计算应考虑下列荷载 ： f 1 )内部蒸汽设计压力 2 9 k P a 作用 于罐顶 时 在罐壁顶部产生的竖向拉力 ( 2 )罐顶 自重 、钢结构 网壳 自重 、吊顶 自重 、 吊顶保温材料 自重、罐顶上部结构 自重和罐顶管道 设备 自重在罐壁产生的竖向压力 ( 3 )罐壁的液密性要求所需的 1 M P a残余压应 5 0 石 油,it jf建 设 力 预应力的应力水平不宜小于上述三类荷载组合 后的值 2 2 罐壁的环向预应力计算 罐壁环向预应力的计算应考虑下列荷载 ： ( 1 )内罐泄漏后液体对罐壁的静水压力产生的 环 向拉力 ( 2 )内部蒸 汽设计压力 2 9 k P a作用于罐壁 时 产生的环向拉力 ( 3 )罐顶 自重、钢结构 网壳 自重 、吊顶 自重 、 吊顶保温材料 自重、罐顶上部结构 自重、罐顶管道 设备 自重 和罐顶活荷载在罐壁顶部产生的环 向拉 力 。 ( 4 )罐壁的液密性要求所需 的 1 MP a残余 压 应力l l J n 预应力的应力水平不宜小于上述 四类荷载组合 后的值 2 3底板 的环 向预应 力计 算 一 般而言 底板可不需施加预应力 其一是经 计算不需要 ：其二是预应力会减小混凝土截面的延 性 ：其三是在底板处施加预应力会引起底板收缩 ， 而收缩会引起桩头承受侧 向荷载 从而使桩额外承 受剪力和弯矩 但有些项 目在底板处也设置少量预 应力钢筋目的是为了限制底板处混凝土裂缝的开 展及闭合部分因底板施工而产生的裂缝 此处的预 应力设置与否 ，没有强制性的要求 完全由设计者 自行把 握 2 4 预应力计算值的调整 经过初步计算得到的是没有考虑内罐大泄漏 情况下罐壁温度效应的预应力计算方案 因此 还 应对 罐壁 的如下 几处 关键部 位 的预应 力数值 进行 调 整 以达到 概念设 计 的 目的 ( 1 )为了减小罐壁与底板交界处 的刚度。从而 减小罐壁环向预应力在正常操作 阶段对底板产生的 弯矩 可把罐壁底部到高度为 2倍壁厚处的环 向预 应力 取 消 ( 2 )在 内罐大泄漏情况下 罐壁边角保温处 ( 5 1T I 高)与其上部混凝土交界区域温度变化最大 ， 会产生很大的温度效应 故该标高附近区域的环向 预应力应增大 ( 3 )在 内罐大泄漏情况下液体最高液位 以下 的罐壁与低温液体相接触最高液位以上的罐壁不 与低温液体相接触 因此最高液位附近区域 的温 度效应很大 该区域的环向预应力应增大 2 5预应 力取值 的核 算 预应力计算值经过调整后是否合理还不能最终 确定 ，应根据下列要求进行核算 ： ( 1 )为 了避 免正常操作 情况下罐壁 出现横 纵 向压缩裂缝 、微观裂缝和较高的徐变 还应限制正 常使用阶段混凝土的压应力( 该限值可取 0 -4 ， ，为轴心抗压强度标准值) 。 ( 2 )为了避免在气压试验阶段出现裂缝 ，气压 试验时 罐壁混凝土拉应力不应超过混凝土轴心抗 拉强度标准值 。 把调整后的预应力值和其他荷载进行组合 验 算混凝土组合压应力是否满足上述限值要求 最后 才能确定该方案的取值 3 计 算实例 以 1 6万 m3 L N G储罐 为例 外罐 内直径 D为 8 2 m，罐壁 高 度 为 3 9 7 m，壁 厚 t 为 0 8 m； C 5 0混凝土密度P 。 为 2 5 0 0 k g m ， 工 为 5 0 MP a ， 为 2 6 4 MP a ：内罐泄漏后 的液位 日 为 3 3 3 m，液 体密度P 为 4 8 0 k g m ，蒸汽压力 q 为 2 9 k P a ，气 压试验 压力 q ， 为 3 6 2 5 k P a 3 1 初步计算方案 3 1 1 罐壁竖向预应力计算 蒸汽压力对罐壁顶产生的竖 向拉力为 ： T l =q A r o o f =2 91 T 4 1 =1 5 3 0 7 2 ( k N) 式中A 罐顶横截面积。 罐顶及吊顶 自重产生的竖向压力为 ： N1 =6 9 0 9 0 kN 残余压应力为 I MP a 所需的压力为： N 2 = A a u X 1 =2 1 6 6 3 4 ( k N) 式 中A 罐 壁 的面积 。 组合后 罐壁竖向所需的压力为 ： F v=N2 + 一N1 =3 0 0 61 6 kN 罐壁中线沿圆周的竖 向预应力： 只 = ， 3 0 0 6l 6 1 T( D+t w ) 竹X 8 2 8 3 1 2 罐壁环向预应力计算 = 1 1 5 6 ( k N m) ( 1 )罐壁底部预应力。 此处液体的静水面压力为 ： q 1 = P E g L =4 8 09 8 X 3 3 3=1 5 6 8 ( k N m ) 式中 一重力加速度。 第 3 8卷第 6期 郑建华等 ：全容式 L N G储罐混凝土外罐的预应 力力 案计算 5 1 蒸汽面压力为： q 2=q =2 9 k N m 作用于罐壁的总面压力为 ： q=q l +q 2 =1 5 6 8+2 9 =1 8 5 8 ( k N m ) 面压 a所产生 的罐壁横截面拉力为 ： P l = =1 8 5 88 2 2 =7 6 1 8( k N m) 二 罐壁横截面受 1 MP a残余压应力所需的力为 ： p2=8 00 k N m 此处所需的预应力为 ： p H = p 1 + p 2 =7 6 1 8 +8 0 0=8 4 1 8 ( k N m) ( 2 )距底板 1 6 m高度处罐壁预应力 。 计算方法同上 ，此处预应力为 ： P H=8 1 1 0 k N m ( 3 )距底板 5 0m高度处罐壁预应力 。 PH=7 4 5 4 k N m ( 4 )距底板 7 0 m高度处罐壁预应力。 PH=7 0 65 kN m ( 5 )距底板 2 3 0 m高度处罐壁预应力。 p H=3 9 7 8 k N m ( 6 )距底板 3 3 - 3 m高度处罐壁预应力 。 PH= 1 9 8 9 kN m ( 7 )距底板 3 7 0 1 T I 高度处罐壁预应力 。 P H=1 9 8 9 k N m ( 8 )罐壁顶部环梁的预应力。 在标高 3 7 0 0 m到罐壁内部顶标高 3 8 5 5 m处 罐壁仅受蒸汽 内压作用 又此处 已远离 液位作用 面 不需 1 MP a残余应力 故此处 的罐壁 预应力 为 ： P 1 = =2 98 2 2=1 1 8 9 ( k N m) 厶 因环梁实际高度 h 为 2 7 m，故P 。 可修正为 ： p a =1 1 8 9 ( 3 8 5 5 3 7 0 0 ) 2 7=6 8 3( k N m) 作用在环梁处的竖向力为 ：混凝土罐顶 自重 、 钢结构 网壳 自重 、罐顶活荷载 、罐顶上 部结构 自 重 、罐顶管道设备 自重、罐顶真空压力 。其竖向合 力为 ：=8 7 1 1 8 k N 罐顶与环梁的夹角 0为 3 O o 故上述荷载在环 梁处产生的水平推力为 ： F= 。 =1 5 0 8 9 3 k N t a n 水平推力 F所产生的罐壁横截面拉应力为： P 3 ： =8 8 9 9 k N m 1 T 所 以环梁的预应力为 ： P H = P 1 + P 3 =6 8 3+8 8 9 9=9 5 8 2 ( k N m) 3 2 预应 力 方案 计算值 调整 竖向预应力可不调整 仅对水平预应力进行调 整 ，其调整如下 ： ( 1 )罐壁底部预应力。 罐壁底 部至距底 板 1 6 m高度处 不设置 预应 力 ，故其值为：P=0 k N m ( 2 )距底板 1 6 7 0 I l l 高度处罐壁预应力。 此区域预应力可取罐壁底部原始计算值的 1 5 2倍 ，本例取 1 6 倍 ，故此处预应力为 ： P H =8 4 1 81 6=1 3 4 7 0 ( k N m) ( 3 )距底板 7 0 i n高度处罐壁预应力。 该处 预应 力不 调整 ( 4 )距底板 2 3 0 I n高度处罐壁预应力。 该处数值取整数 。为： 舶 =3 9 7 8 k N m 40 00 kN m ( 5 )距底板 3 3 33 7 0 m高度处罐壁预应力。 此区域预应力可取该处原始计算值的 2倍 故 此处预应力为 ： P H =1 9 8 92 4 0 0 0 ( k N m) ( 6 )环梁处罐壁预应力。 该处数值取整数 ，为： p H=9 5 8 2 k N m 9 6 0 0 k N m 3 3混凝 土应 力限值 验 算 ( 1 )在正常操作工况下 ，当蒸汽 内压 为 0时 ， 罐壁仅受预应力作用 当不考虑罐壁配筋受压的有 利影响时( 偏安全考虑) ，预应力压力全部 由混凝 土承担 应进行混凝土压应力验算 故预应力验算 值取方案中的最大值 。 环 向预应力验算应满足下式 ： 酱 = o 4 厶 式 中Y 正常使用极 限状态 ( S L S )下的预应 力荷载系数 ，本例取 1 1 。 把各参数值代人上式 ，得 ： ! ： ：1 8 5 ( Me a 10 45 0： 1 0 0 8 X 。 2 0 ( MP a ) 满足应力限值要求 竖 向预应力验算应满足下式 ： 5 2 石 油工 程 建 设 p c g H l O + 皿 4 厶 把各参数值代入上式 ，得 ： 2 5 0 0 9 8 3 9 0 + L = 2 9 9 ( MP a )0 45 O=2 0 ( MP a ) 满足应力限值要求 ( 2 )在气压试验时罐壁仅受预应力和结构 自 重作用 不考虑罐壁配筋受力的有利影响 ( 偏安全 考虑 ) 应进行混凝土拉应力验算 。故预应力验算 值取方案中的最小值 环 向预应力验算应满足下式 ： 4 把各参数值代入上式 得 ： 三 鱼 ： 墨 Q Q二 ： ! Q Q Q 一 1 0 X 0 8 一 一 3 6 4 ( MP a )0 4 X 5 0：2 0 ( MP a ) 满足应力限值要求 竖向预应力验算应满足下式： 血n- 1 0 X t 把各参数值代入上式 ，得 ： ( 3 6 2 5 x 1 T 8 2 2 46 9 0 9 0 ) r 8 2 1 1 x 1 1 5 6 一 而丽一 一 1 0 ( MP a ) 丘=2 6 4 ( MP a ) 满 足应 力 限值 要求 3 4 环 向预应 力 沿罐 壁 高度 分布 调整前后的预应力分布如图 1 所示 4 结束语 确定混凝 土外罐 的预应 力方 案是进行 混凝 土 外 罐模 型分析和工程设计的前提条件 预应力取 值 是否合 理与外罐设 计 的进度 和质量密切相关 本文从 工程设计 的角度 出发 以混凝土外罐 的受 量 越 嘏 剖 起 7 0 0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 O O O 8 0 0 01 2 0 001 20 0 01 40 0 0 预应力 ( k N m) 图 1 环 向预应力沿罐壁高度分布 力特性为基础 结合相关规范的指导性要求 对 混凝 土外罐 的预应力方案的计算 要点进行 了全面 的分析和总结 提 出了简单易行 的计算解决方案 。 文中算例 的预应力取值结果 已应用到唐 山 L N G工 程设计 中经有 限元分析及配筋计算 证 明其取 值是合适的 参 考文 献 ： 1 B S 7 7 7 7 3 1 9 9 3 ， F l a t b o t t o me d ， v e a i c a l ， c y l i n d r i c a l s t o r a g e t a n k s f o r l o w t e mp e r a t u r e s e r v i c e Pa r t 3 Re c o mme n d a t i o n s f o r t h e d e s i g n a n d c o n s t r uc t i o n o f p r e s t r e s s e d a n d r e i n f o r c e d c o n c r e t e t a n k s a n d t a n k f o u n d a t i o n s ， a n d f o r t h e d e s i g n a n d i n s t a l l a t i o n o f t a n k i n s u l a t i o n ， t a n k l i n e r s a n d t a n k c o a t i n g s i s 2 】E N 1 4 6 2 0 3 2 0 0 6 ， D e s i g n a n d m a n u f a c t u r e o f s i t e b u i l t ， v e i c a l ， c y l i n d r i c a l ， fla t b o t t o me d s t e e l t a n k s for t h e s t o r a g e o f r e f r i g e r a t e d ， l i q u e fie d g a s e s wi t h o p e r a t i n g t e mp e r a t u r e s b e t we e n 0 a n d-1 6 5 一 P a r t y 3 ： C o n c r e t e c o mp o n e n t s S 3 C o mi t e E u r o i n t e r n a t i o n a l D u B e t o n C E B- F I P mo d e l c o d e 1 9 9 0 M】 L o n d o n ： T h o m a s T e l for d ， 1 9 9 3 4 1 E N 1 9 9 2 1 1 2 0 0 4 E u r o c o d e 2 ： De s i g n o f c o n c r e t e s t ruc t u r e s P a r t 1 - 1 ： G e n e r a l rul e s a n d rul e s for b u i l d i n g s S 作 者 简介 ： 郑 建 华( 1 9 6 6 一)， 男 ， 湖 北 长 阳 人 ，教 授 级 高 级工程师 1 9 8 9年毕业于重庆建筑工程学院结构S - 程 专业 硕士 ，现主要从 事 L NG储罐的设计3 7- 作 收稿 日期 ：2 0 1 1 1 2 - 2 6 +“十“十“十一十“+*十”+一十“+一 一一 十“ 卜 一十“+一十“十一卜 “十一+n- k -*+“- 4 - - “- 4-”- +- “- 4 -n+“+”- 4 -“- 4 -一- 4 - -”- 4 -一+“- 4 -一+n- 4 -一+“- 4 -一- 4 -“- 4 -一- 4 -“- 4 -一+“- 4 - ：峨 童 ) 中 缅油 气管道 若开山 段打火 开焊 中国石油网 2 0 1 2年 l 0月 1 6 13 消息 。中缅油气管道( 缅甸段 )若开山段打火开焊 若开山段是中缅油气管道的控制性工程 ，地处缅甸若开邦和马圭省交界处 ，全长 4 0 k m，包含两座阀 室。油气管道双线并行 ，同沟敷设 ，管间距为 2 5 m。该施工段地势险峻 ，人 口稀少 ，社会依托差 。管道 需要穿越公路 6 2次 、河流 2 9次 。据不完全统计 ，该段 3 0 。 以上的陡坡有 9 6处 ，需要弯头 1 4 0 0个 、弯 管 1 0 0 0多个。 本 刊 摘 录 如 加 m 0