翟希梅，王　恒,2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，150090哈爾濱；2.中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司，610041成都)

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160 000 m3大型LNG儲(chǔ)罐混凝土外罐施工全過(guò)程溫度作用分析

翟希梅1，王恒1,2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，150090哈爾濱；2.中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司，610041成都)

摘要:為了解160 000 m3大型液化天然氣(LNG)儲(chǔ)罐混凝土外罐在施工期間的抗裂性能，避免由于水泥水化放熱、混凝土收縮、外界氣溫變化而造成的外罐墻壁豎向開(kāi)裂及扶壁柱局部環(huán)向裂縫現(xiàn)象，運(yùn)用有限元數(shù)值模擬技術(shù)，采用增量法，分別探討了施工模板材料、施工質(zhì)量、施工季節(jié)及混凝土入模溫度對(duì)混凝土外罐溫度應(yīng)力分布的影響及其規(guī)律.結(jié)果顯示：模板對(duì)溫度應(yīng)力的影響作用較小，混凝土收縮導(dǎo)致混凝土拉應(yīng)力持續(xù)增長(zhǎng)，溫度應(yīng)力隨著施工季節(jié)溫度的變化而產(chǎn)生相應(yīng)波動(dòng)，施工質(zhì)量及施工季節(jié)對(duì)溫度應(yīng)力的影響較大；在上述結(jié)論基礎(chǔ)上，視溫度應(yīng)力結(jié)果為水化熱、混凝土收縮、外界氣溫及入模溫度各自單一影響作用下溫度應(yīng)力的疊加，進(jìn)而總結(jié)出各因素對(duì)混凝土施工階段溫度應(yīng)力的影響規(guī)律，并提出可供實(shí)際工程參考的防裂措施建議.

關(guān)鍵詞:LNG儲(chǔ)罐；裂縫控制；施工質(zhì)量；溫度應(yīng)力；施工季節(jié)

天然氣在能源結(jié)構(gòu)中的比重越來(lái)越大，以及能源儲(chǔ)備的需要，國(guó)內(nèi)外都在興建大型全容式液化天然氣(liquefied natural gas，簡(jiǎn)稱LNG)儲(chǔ)罐，其由預(yù)應(yīng)力混凝土外罐及鋼制內(nèi)罐組成.在混凝土外罐建造過(guò)程中，由于水泥水化放熱以及混凝土的收縮特性，混凝土罐體開(kāi)裂現(xiàn)象很普遍.目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了大量試驗(yàn)與仿真研究，獲得了相關(guān)大體積混凝土結(jié)構(gòu)各種熱力學(xué)指標(biāo)，并對(duì)導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂的因素、規(guī)律及數(shù)值算法都有探討[1-5].文獻(xiàn)[6-7]以國(guó)內(nèi)某LNG儲(chǔ)罐為例，介紹了混凝土外罐早期溫度裂縫的有限元分析過(guò)程，但未考慮混凝土的收縮和徐變效應(yīng)，且外界氣溫也只考慮為恒溫.

文獻(xiàn)[8]利用有限元方法，針對(duì)一實(shí)際LNG儲(chǔ)罐混凝土外罐的施工建造全過(guò)程，就混凝土外罐在施工期間的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬，并對(duì)溫度裂縫出現(xiàn)的位置及時(shí)間進(jìn)行了預(yù)測(cè)(見(jiàn)圖1、2)；分析中所用模板為DOKA模板，其面板是18 mm厚的膠合木[9].

文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)果表明,施工期在5—9月，模擬時(shí)間為3 600 h條件下，在第一澆筑段扶壁柱外側(cè)頂部、內(nèi)側(cè)底部、墻體外側(cè)頂部和底部，墻體內(nèi)側(cè)頂部和底部的應(yīng)力結(jié)果較大(所在位置分別為圖1中標(biāo)號(hào)5、6、2、1、3、4處).圖2的應(yīng)力時(shí)程對(duì)比顯示,混凝土收縮對(duì)溫度應(yīng)力的影響很大，導(dǎo)致混凝土拉應(yīng)力的持續(xù)增長(zhǎng)；拆模后由于外界氣溫的變化，儲(chǔ)罐外壁有幅值為1 MPa的波動(dòng).本文將在上述研究基礎(chǔ)上，探討施工中所用的模板材料、施工質(zhì)量、施工季節(jié)及入模溫度等因素對(duì)裂縫產(chǎn)生的影響規(guī)律，并根據(jù)分析結(jié)果，總結(jié)出抗裂措施建議，為同類工程實(shí)際施工提供參考.

圖2　應(yīng)力時(shí)程

1LNG混凝土外罐施工階段溫度應(yīng)力計(jì)算

LNG混凝土外罐施工期間，其早期混凝土的狀態(tài)參數(shù)是隨時(shí)間變化的，某一時(shí)刻t的溫度應(yīng)力不僅與t時(shí)刻的溫度有關(guān)，還與0～t各個(gè)時(shí)刻的溫度、混凝土的凝結(jié)狀態(tài)等有關(guān)，因此t時(shí)刻的溫度應(yīng)力應(yīng)為0～t時(shí)刻應(yīng)力累加的結(jié)果[10].為此，本文利用ANSYS有限元分析平臺(tái)，采用增量法并考慮混凝土的松弛系數(shù)來(lái)求解大體積混凝土早期溫度應(yīng)力，即將節(jié)點(diǎn)溫升值作為荷載，計(jì)算出LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)位移與應(yīng)力的增量.在后處理模塊中，將應(yīng)力增量乘以松弛系數(shù)，并將0～t時(shí)刻的各增量疊加起來(lái)，即得到t時(shí)刻溫度應(yīng)力結(jié)果.其中時(shí)間增量取1 h.

混凝土線膨脹系數(shù)取1×10-5/℃，泊松比取0.18，密度取2 400 kg/m3[11].混凝土的彈性模量采用復(fù)合指數(shù)式[12]：

(1)

式中：t為齡期；a，b為常數(shù)，a=0.40，b=0.34；Ec0為t→時(shí)混凝土的彈性模量.

(2)

式中：ρ為非預(yù)應(yīng)力鋼筋配筋率，Es為非預(yù)應(yīng)力鋼筋彈性模量.

采用應(yīng)力松弛系數(shù)來(lái)考慮混凝土的徐變[13]，應(yīng)力松弛系數(shù)為

(0.049 5+0.255 8τ-0.072 7×

(3)

式中：t為計(jì)算時(shí)刻的混凝土齡期，d；τ為混凝土受荷時(shí)的齡期，d；(t-τ)為持荷時(shí)間，d.

2模板對(duì)結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的影響

將文獻(xiàn)[8]18 mm厚膠合木模板(導(dǎo)熱系數(shù)0.837 kJ/(m·h·℃)，比熱1.8 kJ/(kg·℃)[14-15])替換為5 mm的鋼模板(導(dǎo)熱系數(shù)258 kJ/(m·h·℃)，比熱0.48 kJ/(kg·℃))[16]，施工期仍為5—9月.圖3是使用鋼、木模板時(shí)的應(yīng)力時(shí)程對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)使用鋼模板時(shí)罐壁各處的應(yīng)力結(jié)果較使用木模板時(shí)有微幅降低，在模擬時(shí)間第3 600 h的降幅穩(wěn)定在0.5 MPa左右.可見(jiàn)，鋼模板對(duì)DOKA模板的替換雖然使LNG儲(chǔ)罐混凝土外罐最不利位置的應(yīng)力有所降低，但幅值很小，罐壁及扶壁柱處仍存在開(kāi)裂現(xiàn)象.

圖3　鋼、木模板對(duì)應(yīng)力結(jié)果的影響

3施工質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的影響

混凝土收縮對(duì)溫度應(yīng)力的影響很大[8]，而施工質(zhì)量(包括養(yǎng)護(hù)條件、水灰比、骨料配比、振搗等)將對(duì)混凝土收縮起重要作用，因此可通過(guò)提高施工質(zhì)量來(lái)控制混凝土的收縮，混凝土收縮可表示為[17]

(4)

圖4為收縮值降低40%后LNG罐體的混凝土應(yīng)力時(shí)程，結(jié)果顯示：提高施工質(zhì)量后，在施工時(shí)間3 600 h時(shí)，罐壁及扶壁柱處混凝土應(yīng)力值降低明顯，相當(dāng)于混凝土收縮不折減情況的60%.

4施工季節(jié)對(duì)結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的影響

為了探討外界氣溫變化對(duì)溫度應(yīng)力的影響，將計(jì)算模擬的時(shí)間延長(zhǎng)到8 400 h(350 d)，接近氣溫變化的1 a周期.圖5(a)是施工期間的日平均氣溫變化曲線；圖5(b)是各澆筑段墻壁內(nèi)部一點(diǎn)的溫度時(shí)程；圖5(c)是外側(cè)底部環(huán)向應(yīng)力時(shí)程和內(nèi)側(cè)底部扶壁柱處豎向應(yīng)力時(shí)程.由圖5可得出最直觀的結(jié)論就是混凝土環(huán)向應(yīng)力變化曲線的凹凸與溫度變化曲線的凹凸剛好相反，而豎向應(yīng)力變化曲線的凹凸與溫度變化曲線的凹凸一致.

圖4　施工質(zhì)量對(duì)溫度應(yīng)力的影響

鑒于氣溫變化對(duì)溫度應(yīng)力的明顯影響作用，本文考慮通過(guò)調(diào)整施工期來(lái)控制裂縫的產(chǎn)生.分3種季節(jié)情況：1)施工期為5—9月，入模溫度為25 ℃；2)施工期為2—7月，入模溫度為20 ℃；3)施工期為11—3月，同時(shí)考慮提高施工質(zhì)量(即對(duì)收縮值折減40%)，入模溫度為10 ℃.上述入模溫度的確定是根據(jù)施工期間的平均氣溫水平設(shè)定的.不同季節(jié)下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6.

為清楚了解外界氣溫對(duì)溫度應(yīng)力的影響，需要將圖6的結(jié)果同圖2中恒溫考慮收縮條件下的應(yīng)力曲線作比較.外界氣溫的變化導(dǎo)致混凝土的收縮與膨脹，由于收縮與膨脹受到約束而產(chǎn)生應(yīng)力.在罐體的環(huán)向，外界氣溫降低時(shí)混凝土發(fā)生收縮，罐壁會(huì)產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力；外界氣溫升高時(shí)混凝土發(fā)生膨脹，罐壁會(huì)產(chǎn)生環(huán)向壓應(yīng)力，即表現(xiàn)為圖6(a)中的環(huán)向拉應(yīng)力曲線的凹凸與日平均氣溫變化曲線的凹凸相反.在罐體的豎向，可將罐體墻壁簡(jiǎn)化成懸臂結(jié)構(gòu)，上部混凝土結(jié)構(gòu)的收縮與膨脹變形，對(duì)于下部混凝土就如同外荷載作用，當(dāng)外界氣溫降低時(shí)上部混凝土收縮，罐體內(nèi)側(cè)產(chǎn)生壓應(yīng)力，外側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力；當(dāng)外界氣溫升高時(shí)上部混凝土膨脹，罐體內(nèi)側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力，外側(cè)產(chǎn)生壓應(yīng)力，表現(xiàn)為圖6(b)中的內(nèi)側(cè)底部扶壁柱處豎向應(yīng)力曲線的凹凸與日平均氣溫變化曲線的凹凸一致.綜上所述,混凝土環(huán)向應(yīng)力變化曲線的凹凸與溫度變化曲線的凹凸剛好相反，而豎向應(yīng)力變化曲線的凹凸與溫度變化曲線的凹凸要么一致，要么相反，視具體位置而定.

圖5　歷時(shí)8 400 h(350 d)的應(yīng)力時(shí)程

本文三組施工季節(jié)中，從應(yīng)力時(shí)程與混凝土抗拉強(qiáng)度的對(duì)比出發(fā)，發(fā)現(xiàn)施工期設(shè)置在2—7月時(shí)，只有儲(chǔ)罐罐體內(nèi)側(cè)底部扶壁柱處的早期豎向應(yīng)力較大；而施工期設(shè)置在11—3月時(shí)，即使采取降低混凝土收縮量的改善措施，儲(chǔ)罐罐壁外側(cè)底部環(huán)向應(yīng)力也在較早的時(shí)間就超過(guò)抗拉強(qiáng)度，出現(xiàn)開(kāi)裂.因此本文認(rèn)為合理安排施工季節(jié)對(duì)LNG儲(chǔ)罐混凝土外罐溫度應(yīng)力的控制最為明顯；提高混凝土的澆筑質(zhì)量，控制混凝土的收縮，對(duì)控制裂縫的產(chǎn)生是有局限性的；合理利用施工期間外界氣溫的升溫來(lái)抵制混凝土的收縮影響時(shí)(2—7月施工)，沒(méi)必要再提高混凝土的施工質(zhì)量，即可控制裂縫的產(chǎn)生；當(dāng)施工后期處于降溫期(5—9月施工)，可以利用提高澆筑質(zhì)量，減少收縮來(lái)控制混凝土開(kāi)裂(如圖4(a)所示，收縮折減后，環(huán)向應(yīng)力降低)；當(dāng)施工前期處于降溫段(11—3月施工)，此時(shí)應(yīng)力受混凝土收縮的影響較小，即使控制施工質(zhì)量，降低了混凝土的收縮，也不能很好起到防裂作用.施工期可以理解為從開(kāi)始施工到預(yù)應(yīng)力張拉結(jié)束的這一段時(shí)間.

圖6　不同施工季節(jié)的應(yīng)力時(shí)程

5混凝土入模溫度對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響

將混凝土剛?cè)肽５臓顟B(tài)視為混凝土的初始狀態(tài)，則入模之后外界氣溫與入模溫度的差值決定混凝土的收縮與膨脹.以施工期間第150 d(即第3 600 h)的應(yīng)力值進(jìn)一步說(shuō)明：5—9月施工期間第150 d的外界日平均氣溫值為20 ℃，比入模溫度25 ℃低，等價(jià)于澆筑150 d后的混凝土?xí)a(chǎn)生收縮，致使罐體產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力,圖7(a)中的5—9月第150 d的拉應(yīng)力平均值比恒溫25 ℃條件下第150 d的拉應(yīng)力值大0.75 MPa；2—7月施工期間第150 d的外界日平均氣溫值為28 ℃，比入模溫度20 ℃高，等價(jià)于澆筑150 d后的混凝土?xí)a(chǎn)生膨脹，致使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生環(huán)向壓應(yīng)力，圖7(b)中的2—7月施工期第150 d的拉應(yīng)力平均值比恒溫25 ℃條件下第150 d的拉應(yīng)力值小2.75 MPa(施工模擬后期150 d時(shí)混凝土的彈性模量大致在20～30 GPa，線膨脹系數(shù)1×10-5/℃).另外，入模溫度需盡量與施工期間的氣溫接近，以降低施工成本.

圖7　入模溫度對(duì)溫度應(yīng)力的影響

6LNG儲(chǔ)罐外罐混凝土施工階段溫度作用的影響因素分析

對(duì)于施工600 h以前的溫度應(yīng)力歸因于水泥水化放熱；而600 h以后的溫度應(yīng)力歸因于混凝土收縮、外界氣溫及入模溫度，其影響關(guān)系見(jiàn)圖8.圖8(c)顯示600 h后收縮導(dǎo)致溫度應(yīng)力持續(xù)增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)曲線斜率逐漸降低；圖8(b)中外界氣溫及入模溫度導(dǎo)致溫度應(yīng)力呈Asin(ωt+φ)+B曲線變化(該圖中溫度應(yīng)力曲線只為示意圖形)，其中Asin(ωt+φ)項(xiàng)由外界氣溫變化(施工季節(jié))決定，其曲線變化趨勢(shì)規(guī)律如第3節(jié)所述，而入模溫度決定氣溫作用導(dǎo)致的溫度應(yīng)力的零應(yīng)力值的位置(即常數(shù)項(xiàng)B)：外界氣溫大于入模溫度時(shí)，產(chǎn)生壓應(yīng)力；外界氣溫小于入模溫度時(shí)，產(chǎn)生拉應(yīng)力.由圖8(a)、(b)的對(duì)比可知，可以通過(guò)調(diào)節(jié)施工時(shí)間段(即正弦項(xiàng)的相位φ)，使外界氣溫在施工前期處于升溫狀態(tài)，這樣可將峰值應(yīng)力的出現(xiàn)時(shí)間往后推，有利于控制裂縫的產(chǎn)生，因?yàn)榻?jīng)歷的時(shí)間越長(zhǎng)，混凝土的抗拉強(qiáng)度越高，同時(shí)后期預(yù)應(yīng)力筋的布置可有效控制峰值拉應(yīng)力，使其低于抗拉強(qiáng)度.

降低LNG儲(chǔ)罐混凝土外罐施工期間拉應(yīng)力的具體建議：(1)調(diào)整施工時(shí)間段，利用施工期間外界氣溫的逐漸提高來(lái)削弱混凝土收縮作用產(chǎn)生的拉應(yīng)力增長(zhǎng)；(2)如果施工期受限制，可提高養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，降低混凝土的收縮作用；(3)混凝土入模溫度需考慮入模溫度與施工后期氣溫的差值，如果施工后期氣溫處于下降段，則此差值宜為負(fù).同時(shí)，入模溫度的確定還需與施工期間的氣溫相宜，以降低施工成本.

圖8　溫度應(yīng)力影響因素分析

7結(jié)論

1)模板材料對(duì)儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力影響作用較小.

2)可通過(guò)調(diào)整施工時(shí)間段，利用外界氣溫的逐漸提高來(lái)降低混凝土收縮的不利影響.如果施工期有限制，可采取提高養(yǎng)護(hù)質(zhì)量等措施，以降低混凝土的收縮作用.

3)入模溫度的確定需考慮入模溫度與施工后期的氣溫差值，如果施工期的后期氣溫處于下降段，則此差值宜為負(fù).同時(shí)，入模溫度還需與施工期間的氣溫相宜，以降低施工成本.

4)罐體內(nèi)側(cè)底部扶壁柱處的早期豎向應(yīng)力，與混凝土的溫升值和混凝土內(nèi)外溫差有關(guān)，而這兩個(gè)溫度值是負(fù)相關(guān)的，且任意一值較大都會(huì)導(dǎo)致較大的豎向拉應(yīng)力致使開(kāi)裂，為此，可采取局部分段施工來(lái)防止其開(kāi)裂.

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(編輯趙麗瑩)

近期結(jié)構(gòu)工程類會(huì)議簡(jiǎn)訊

1.中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與疲勞分會(huì)第15屆學(xué)術(shù)交流會(huì)暨教學(xué)研討會(huì)(ISSF-2016)將于2016年8月18—21日在云南省昆明市舉行.會(huì)議由昆明理工大學(xué)和貴州大學(xué)聯(lián)合承辦.本次會(huì)議將集中研討近兩年在鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)理論研究、工程應(yīng)用實(shí)踐和教學(xué)改革方面取得的新成就和新進(jìn)展.

2.國(guó)際殼體與空間結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)2016年年會(huì)(IASS-2016)將于2016年9月26—30日在日本東京舉行.會(huì)議由東京大學(xué)承辦.本次會(huì)議以"Spatial Structures in the 21st Century"為主題，將針對(duì)在役空間結(jié)構(gòu)維護(hù)、21世紀(jì)全球變暖、氣候變化引起的空間結(jié)構(gòu)問(wèn)題等方面展開(kāi)討論.

3.第十四屆結(jié)構(gòu)工程國(guó)際研討會(huì)(ISSE-14)將于2016年10月12—15日在北京舉行.會(huì)議由國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)主辦，北京交通大學(xué)承辦.會(huì)議以展示學(xué)者、研究人員和廣大結(jié)構(gòu)工程技術(shù)人員最新研究成果為宗旨，交流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析、建造與維護(hù)管理，及防災(zāi)減災(zāi)等方面的信息，研討新工藝和新技術(shù)在社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施的安全和可持續(xù)發(fā)展中的應(yīng)用.

4.第十六屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議將于2016年10月24—26日在杭州舉行，會(huì)議由浙江大學(xué)承辦.會(huì)議將突出"創(chuàng)新與可持續(xù)發(fā)展的空間結(jié)構(gòu)"這一主題，議題包括所有與空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域理論和實(shí)踐有關(guān)的方面，如：創(chuàng)新與可持續(xù)發(fā)展，計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，健康監(jiān)測(cè)和檢測(cè)，綠色建筑等.

5. 歐洲膜結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)會(huì)議(TensiNet-COST Action TU1303 Symposium 2016)將于2016年10月26—28日在英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)召開(kāi).歐洲膜結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)會(huì)議為系列會(huì)議，第一屆于2003年在布魯塞爾召開(kāi)，此后分別在米蘭(2007年)、索非亞(2010年)和伊斯坦布爾(2013年)召開(kāi)了第二至四屆會(huì)議.本次會(huì)議為第五屆，主題為"新型結(jié)構(gòu)皮膚"，即通過(guò)采用新型織物膜材和設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的可持續(xù)性和高效性.

Influence factors of thermal stress in the construction period of the concrete outer tank for 160 000 m3LNG storage

ZHAI Ximei1, WANG Heng1,2

(1.School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, 150090 Harbin, China; 2.China Southwest Architectural Design and Research Institute Co., Ltd.,610041 Chengdu, China)

Abstract:To investigate the cracking resistance and avoid the vertical and local circumferential cracks at the bottom of the concrete outer tank during the construction period due to hydration heat, concrete shrinkage and temperature changes for 160 000 m3 liquefied natural gas (LNG) tanks, using the finite element numerical simulation technology, the influence of shuttering material, construction quality, construction season and pouring temperature on cracks was figured out with an incremental method. The results show that concrete shrinkage leads to a sustaind growth of concrete tensile stress, the thermal stress fluctuates according to the changing of construction temperature and construction quality and construction season have a strong inference on cracks. Based on this basis, the thermal tress is dismantled according to the effect of each influencing factor, and the whole thermal stress is the superposition of the thermal stress under single influence of hydration heat, concrete shrinkage, construction season and pouring temperature. Some suggestions on anti-cracking measures are proposed, mainly by regulating the construction season, complementally by improving the quality of construction.

Keywords:LNG tank; crack control; construction quality; thermal stress; construction season

中圖分類號(hào):TE872

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0367-6234(2016)06-0092-06

通信作者:翟希梅，xmzhai@hit.edu.cn.

作者簡(jiǎn)介:翟希梅(1971—)，女，教授，博士生導(dǎo)師.

收稿日期:2014-12-21.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.06.015