劉洋，程昊，肖立，張博超，黃歡

（中海石油氣電集團有限責任公司， 北京 100028）

作為石油的替代能源以及最干凈的化石能源，液化天然氣（LNG）除了可作發(fā)電及工業(yè)生產(chǎn)的燃料外，其包含的甲烷也是合成甲醇溶劑、農(nóng)業(yè)肥料的重要化工原料，此外，超低溫LNG在轉變?yōu)槌氐倪^程中還可提供大量的冷能，因此，近年來世界對LNG的需求逐漸增大，對LNG儲罐的研究日益增多。

大型LNG儲罐的研究方法目前以有限元軟件模擬為主，在LNG儲罐的設計以及優(yōu)化方面，張洪林[1]等人在論述了國際上常用的大型LNG儲罐結構的基礎上，提出了LNG儲罐在設計和建造過程中應重點關注的問題。Jeon S.J.、王偉玲和謝劍[2-5]等人分別以5萬方和16萬方的LNG儲罐外罐為研究對象，通過靜態(tài)分析及熱—結構耦合分析等，對外罐受力和預應力筋進行了調整，通過比較結構的受力狀態(tài)，得到了受力更加合理的LNG儲罐構造。R.Kruzic[6-7]等人研究了LNG內(nèi)罐在承載性能及焊接性能等多方面的承載及安全性能。周波[8]和劉清龍[9]通過對比國內(nèi)外不同LNG儲罐設計規(guī)范，分析了罐壁和罐底應力對壁厚的敏感程度，并對LNG儲罐設計中存在的安全儲備進行了討論，為大型LNG儲罐的設計和研究提供了參考。對于在位儲罐結構的相應方面，楊建江[10]采用有限元軟件重點考慮了泄漏工況下，液位變化對結構位移和第一主應力的影響。蒲玉成[11]采用ANSYS對靜力荷載下的LNG混凝土全容罐進行了模擬，分析了儲罐結構設計的力學原理以及在最不利荷載下的結構響應。李志明[12]等人使用數(shù)值模擬軟件ANSYS對泄漏工況下的LNG儲罐進行了預應力體系優(yōu)化，為環(huán)向預應力筋的設置提供了合理的方式。Daniel[13]等人根據(jù)LNG儲罐的容器結構形式、存儲狀態(tài)及泄漏方式，得出了不同物質泄漏源模型。穆春生[14]利用大型有限元軟件ANSYS，對工程中處在風荷載作用下的LNG儲罐內(nèi)罐與外罐進行了應力及變形分析。

綜上所述，前人對大型LNG預應力混凝土儲罐的研究主要集中在結構的優(yōu)化，或是相對只關注某一工況下的結構響應方面，對于LNG儲罐結構施工完成后，整個服役期內(nèi)的LNG儲罐結構在各工況下的響應狀態(tài)及安全性能研究還有所不足，本文以16萬方大型LNG預應力混凝土儲罐為例，利用有限元軟件ABAQUS建立預應力混凝土結構整體模型，對處在試驗工況、服役工況以及偶然工況下的LNG儲罐結構進行分析，為LNG儲罐的設計及工程應用提供參考。

1 工程概況

該16萬方LNG儲罐外罐外壁直徑85.6m，內(nèi)壁直徑84m，預應力混凝土外壁底部7m為變厚度段，厚度由0.8m變?yōu)?.65m，等厚度段墻體厚度為0.65m，承臺直徑88.6m，外側厚度為1.3m，內(nèi)側厚1.1m。穹頂半徑84m，厚度0.4m，矢高11.253m，外罐采用C50混凝土，普通鋼筋（主筋）為HRB400E鋼筋，所用預應力鋼絞線為1×7標準型，直徑為15.7mm，極限抗拉強度為1860MPa。LNG儲罐外罐結構幾何尺寸如圖1所示。

圖1 16萬方LNG儲罐

2 有限元模型

本文采用C 3 D 8 R 單元對混凝土結構進行模擬，該單元能夠進行大應變問題分析，并且能夠保證分析的精度?；炷敛捎盟苄該p傷本構，參數(shù)如表1所示；鋼筋及預應力筋采用彈性本構模型，彈性模量為2.1×105MPa，密度為7850kg/m3，泊松比為0.3。在進行有限元分析時不考慮底部樁基對儲罐結構的影響，因此將承臺底面設置為全約束。

表1 混凝土參數(shù)表

預應力鋼絞線分為環(huán)向預應力鋼絞線及豎向預應力鋼絞線，見圖2，其中環(huán)向預應力80根，大致均勻分布在墻體及環(huán)梁處；豎向預應力128根，均勻分布在半徑為42.325m的圓周上。承臺及穹頂?shù)耐ㄤ摻钤谥行奶幨纸徊娌贾?，外側布有環(huán)向及徑向筋；墻體布有豎向及環(huán)向普通鋼筋。

圖2 儲罐及預應力鋼筋有限元模型

3 工況及荷載組合

儲罐所受荷載主要包括恒載、活荷載、預應力荷載、風荷載、運行荷載及試驗荷載等。本文主要考慮了LNG儲罐在服役過程中常見的7種工況，每種工況下的荷載如表2所示：

3.1 恒載

混凝土、內(nèi)罐、拱頂、保冷層等涉及到儲罐本身結構重量的荷載統(tǒng)稱為“恒載”，恒載主要包括：混凝土外罐重量、墻及底部鋼襯里重量；外罐頂襯里、頂部、頂及吊頂板保冷層重量；罐壁及底部重量；底部保冷層、承壓環(huán)梁重量；珍珠巖層重量罐頂頂部平臺及泵筒重量等。

表2 工況及荷載組合表

3.2 活荷載

罐頂活載主要包括在罐頂投影面積上的均布荷載1.2kPa以及作用于罐頂平臺或通道任何位置處一塊300×300mm2面積上的大小為5kN的集中荷載。

3.3 風荷載

根據(jù)GB50009-2012《建筑結構荷載規(guī)范》[15]給出的風荷載標準值wk計算公式為：

式中：βz為高度z處的風振系數(shù)，靜力風荷載計算中取βz=1；μs為風荷載體型系數(shù)；μz為風壓高度變化系數(shù)儲罐所在地為港口附近，因而地面粗糙度為A類，在《建筑結構荷載規(guī)范》風壓高度變化系數(shù)見表3；wo為基本風壓。按照規(guī)范規(guī)定的墻體周向以及穹頂周向風壓分布如圖3所示：

表3 風壓高度變化系數(shù)表

圖3 儲罐周圍風壓分布圖

在對風荷載進行施加時，首先需要對周向展開角—體型系數(shù)曲線、高度—風壓高度變化系數(shù)曲線進行擬合（見圖3），然后通過建立ABAQUS中分析場功能來模擬隨空間位置變化和變動的風壓場，實現(xiàn)對不同高度及不同周向展開角的風壓進行模擬。

3.4 運行荷載

運行荷載主要包括LNG液重荷載及設計正壓和設計負壓荷載。LNG液壓作用在內(nèi)罐壁板及底板上，LNG設計密度為0.48，設計液位33.49m，經(jīng)計算在底板施加均布荷載158kPa，在罐壁施加楔形荷載，最大值為158kPa；運行階段在外罐內(nèi)部及罐底表面的最大氣壓荷載為29kPa，以分布荷載形式均布于罐壁及底板；設計負壓大小為-1kPa，作用位置與設計正壓相同。

3.5 試驗荷載

試驗荷載主要包括水壓試驗荷載和氣壓試驗荷載。水壓試驗是檢驗內(nèi)罐液密性的重要試驗，經(jīng)計算水壓試驗高度為20.10m，作用形式與LNG液重荷載一致，底板均布荷載為197kPa；水壓試驗中正壓試驗壓力是內(nèi)罐最高設計壓力的1.25倍，面作用荷載為36.25kPa，負壓試驗壓力即為儲罐最低設計壓力，面作用荷載為-1kPa。

3.6 爆炸荷載

爆炸的壓力大小、分布及持續(xù)時間的加載方式見圖4，外罐壁及穹頂?shù)膱A周壓力滿足傅里葉級數(shù)諧波分布，沿著外壁子午線，系數(shù)為常量，沿著頂部子午線，系數(shù)呈余弦變化[16]。

圖4 爆炸荷載分布

4 服役工況下LNG儲罐結構響應

4.1 服役工況下LNG儲罐混凝土應力分析

LNG儲罐在自重作用下，混凝土結構的應力分布云圖如圖5所示。由圖5可知，穹頂最大拉應力為1.6MPa，出現(xiàn)在外側邊緣應力集中區(qū)域，穹頂中心區(qū)域混凝土拉應力近似為0；外壁混凝土受環(huán)形預應力筋影響，交替出現(xiàn)受壓區(qū)，最大壓應力為3.08MPa，外壁頂部受穹頂?shù)膹埩ψ饔?，有向外擴張的趨勢，最大拉應力為1.65MPa。

圖5 儲罐混凝土應力云圖

在LNG儲罐服役期的各種工況作用下，穹頂混凝土的應力分布云圖如圖6所示。由圖6可知，在位儲罐在工況七下的拉壓應力值均最大，在儲罐穹頂混凝土結構設計時，應考慮偶然工況下的結構響應；穹頂混凝土在中心區(qū)域受壓，在靠近墻壁10m范圍內(nèi)，壓應力與拉應力均增大，在儲罐結構設計時，應重點關注穹頂邊緣的受力狀態(tài)；穹頂?shù)氖芰δＪ皆谄叻N工況下變現(xiàn)一致，在數(shù)值上存在差異，穹頂應力在工況七下最大，工況二、四和工況五應力較小。

圖6 穹頂應力分布圖

LNG儲罐外壁應力狀態(tài)如圖7所示。在外壁頂部與穹頂相連處和外壁底部10m高度處應力較大，在設計時應當適當增加環(huán)向預應力鋼筋，對外壁頂部可以采用外環(huán)梁固定的方式，來增大外壁頂部的強度?？梢钥闯觯獗诨炷猎陲L荷載的作用下，混凝土拉應力最大；外壁底部壓應力在爆炸工況下最大。因此在外壁設計時，應主要考慮風荷載與爆炸荷載的影響。

(a) 最大主應力

圖7 罐壁應力分布圖

4.2 服役工況下LNG儲罐混凝土位移分析

LNG儲罐在自重作用下，混凝土結構的沉降云圖如圖8所示。由圖8可知，穹頂最大沉降為5.48mm，出現(xiàn)在穹頂中心區(qū)域，四周逐漸減??；外壁混凝土沉降較小，在1mm以內(nèi)。

圖8 儲罐混凝土沉降云圖

LNG儲罐穹頂沉降如圖9所示。穹頂中心處沉降最大，在穹頂?shù)幕⌒螀^(qū)域，由中心向兩側逐漸減小，在30m范圍內(nèi)變化平緩；在靠近穹頂與外壁相交處，穹頂混凝土受外壁支撐作用，沉降迅速減??；在水壓試驗工況下，穹頂?shù)某两底钚?，這是由于外壁底側水壓較大，外壁存在內(nèi)傾趨勢，穹頂邊受外壁擠壓，相較自重工況有為隆起的趨勢；在運行荷載與爆炸荷載同時作用時，儲罐穹頂?shù)某两抵底畲?，約為10mm。

圖9 穹頂位移曲線

在風荷載作用下，結構迎風面、側風面以及背風面的混凝土外壁位移如圖10所示。對于工作狀態(tài)下的儲罐結構，迎風面以及背風面的位移相對較小，而側風面處的結構水平位移最大，約為3.5mm，最大位移出現(xiàn)在罐底以上15m高度左右。

圖10 風載下外罐壁位移曲線

在多種工況下儲罐外壁水平位移見圖11。其中，工況6位移為側風面的儲罐位移，在各種情況下位移最大，在外罐底部5-20m范圍內(nèi)，外罐位移較大，建議在外壁底部適當增加環(huán)向預應力筋來約束儲罐的變形。

圖11 外罐壁位移曲線

5 總結

本文通過有限元軟件ABAQUS對大型LNG預應力混凝土儲罐，在服役期間多種工況下的結構響應進行分析，得到的主要結論如下：

（1）LNG混凝土儲罐穹頂拉壓應力均在爆炸荷載下最大，在設計時應進行偶然荷載的考慮；外壁頂部受風荷載影響拉應力較為顯著，外壁底部受爆炸荷載影響壓應力較為顯著。

（2）鋼筋混凝土穹頂中心處的沉降最大，在風荷載作用下，側風面的位移最大；在外壁底部5-20m的范圍內(nèi)應適當增加預應力環(huán)筋，來約束外壁位移。

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