范嘉堃，畢曉星，陳團海，許佳偉，邱灶楊

（中海石油氣電集團有限責任公司， 北京 100028）

隨著國內(nèi)天然氣應(yīng)用的推廣，部分地區(qū)和行業(yè)對天然氣資源的依賴程度相應(yīng)增加，城市用戶和天然氣電廠用戶在不同季節(jié)，不同時段對天然氣需求波動較大，但目前管道氣儲氣調(diào)峰能力有限，一旦發(fā)生供應(yīng)短缺，很多用戶短期內(nèi)很難轉(zhuǎn)而使用其它替代能源，由此產(chǎn)生巨大的社會壓力。特別是2017年冬季，在全國大范圍煤改氣的背景下，全國多地因為天然氣基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不足而出現(xiàn)不同程度的“氣荒”。建立LNG調(diào)峰儲運中心，通過建設(shè)集群LNG儲罐可在很大程度上保障市場上天然氣的穩(wěn)定供應(yīng)，緩解供應(yīng)短缺帶來的社會壓力。

依靠集群LNG儲罐，投資建設(shè)一定規(guī)模的LNG調(diào)峰儲運中心，對于保障國內(nèi)天然氣市場供氣的連續(xù)性和穩(wěn)定性，保障民生，推進生態(tài)文明建設(shè)，保持煤改氣持續(xù)深入推進，緩解華北、華中、華東地區(qū)的“氣荒”，保持社會穩(wěn)定，創(chuàng)建和諧社會是非常必要的。

解決眼前的氣荒問題，迫在眉睫的是降低儲罐的施工周期，加快目前在建儲備設(shè)施的工程進度。一般16萬方儲罐的建設(shè)周期在兩年半以上，穹頂澆筑是儲罐施工建設(shè)關(guān)鍵路徑中的重要一環(huán)，對于穹頂澆筑施工方法的優(yōu)化提升，能夠顯著縮短儲罐的施工周期，并降低穹頂澆筑時的安全風險，還可以降低平均澆筑成本。本文對兩種形式的澆筑方式的施工順序程序、整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行了分析。

1 施工順序程序

1.1 分環(huán)澆筑

儲罐穹頂混凝土分環(huán)澆筑過程期間每一環(huán)澆筑需按設(shè)計要求保壓?；炷撩恳画h(huán)需一次性連續(xù)澆筑完成，以提高穹頂?shù)恼w結(jié)構(gòu)性。在變厚度段混凝土澆筑厚度由環(huán)梁截面逐漸過渡為400mm。混凝土澆筑需滿足如下要求：混凝土澆筑前，鋼筋綁扎工作必須全部完成，包括：預(yù)埋件鋪設(shè)、鋼筋連接等；在澆筑每一環(huán)混凝土的過程中，罐內(nèi)必須保持設(shè)計所需的內(nèi)壓值；混凝土澆筑由罐頂環(huán)梁位置起始，依據(jù)分區(qū)設(shè)計要求逐次澆筑，以7環(huán)為例。穹頂混凝土澆筑強度及內(nèi)壓值見表1。

表1 穹頂混凝土澆筑強度及內(nèi)壓值

1.2 分層澆筑

儲罐穹頂環(huán)梁采用分層澆筑方案，與抗壓環(huán)及抗壓圈的安裝工作協(xié)調(diào)進行。穹頂混凝土采用分為兩層的澆筑方案施工?？箟涵h(huán)梁處預(yù)應(yīng)力布置及混凝土澆筑分區(qū)設(shè)計如圖2所示，整體穹頂混凝土澆筑厚度為400mm，第一層先澆表層混凝土厚度為200mm，第二層后澆面層混凝土厚度為200mm。

圖2 罐頂環(huán)梁處施工布置圖

儲罐罐頂?shù)囊r板通過頂梁框架支撐，用來作為罐頂混凝土澆注時用的模具。頂梁框架主要用來對罐頂襯板進行支撐，直到澆注的混凝土罐頂自身獲得足夠的強度。混凝土凝固之后，除了頂梁框架及懸吊頂?shù)淖灾刂獾钠渌休d荷都將由混凝土穹頂支撐。在罐頂澆注混凝土期間，將會向儲罐內(nèi)充壓以減輕作用在支架結(jié)構(gòu)上的載荷。

儲罐穹頂混凝土分層澆筑過程期間第一層澆筑需按設(shè)計要求保壓。混凝土第一層需一次性連續(xù)澆筑完成，以提高穹頂?shù)恼w結(jié)構(gòu)性能。在變厚度段混凝土澆筑厚度由環(huán)梁截面逐漸過渡為200mm?；炷翝仓铦M足如下要求：混凝土澆筑之前，鋼筋綁扎工作必須全部完成，包括：預(yù)埋件鋪設(shè)、鋼筋連接等；在澆筑第一層混凝土過程中，罐內(nèi)必須保持設(shè)計所需的內(nèi)壓值；混凝土第二層澆筑過程中，依據(jù)分區(qū)設(shè)計進行逐次澆筑。

2 頂梁框架線有限元分析

由上文可知分環(huán)澆筑和分層澆筑的施工方案對于儲罐整體穹頂鋼結(jié)構(gòu)的受力影響是明顯不同的。儲罐澆筑期間需要進行保壓，故穹頂鋼結(jié)構(gòu)承受來自儲罐內(nèi)部的氣體壓力可以認為是向上的均布壓力。儲罐澆筑期間的澆筑壓力，可以認為是向下的均布壓力。兩者互為平衡共同組建了穹頂鋼結(jié)構(gòu)的受力體系。在分環(huán)澆筑中，由于每一環(huán)的澆筑壓力即向下的均布荷載對于穹頂鋼結(jié)構(gòu)的施加位置不同，造成了每一環(huán)穹頂鋼結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)有所不同，尤其在最后一環(huán)的澆筑時的受力更不平穩(wěn)。而在分層澆筑中，由于第一層的澆筑為一次性澆筑，對于穹頂鋼結(jié)構(gòu)的荷載則更為均勻，不會出現(xiàn)穹頂分環(huán)澆筑時的不均勻受力。分層澆筑的第二層的澆筑雖然也采用的是分環(huán)澆筑的模式，但是由于第一層混凝土已完成初凝，具有一定的強度，故整體穹頂荷載承受能力顯著增強，澆筑壓力對于穹頂鋼結(jié)構(gòu)的受力影響減小。

本文采取的穹頂頂梁框架模型包括96根縱梁和7圈環(huán)梁，主要依據(jù)JGJ 7-2010《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》、GB50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》進行計算分析，線彈性分析主要校核強度及澆筑過程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖3 頂梁框架設(shè)計圖

2.1 分環(huán)澆筑

分環(huán)澆筑主要包括以下荷載：

（1）恒載：包括框架梁的自重、頂襯板的自重以及吊頂?shù)鹊淖灾亍?/p>

（2）活載：1200N/m2。

（3）澆筑荷載：混凝土穹頂分7環(huán)澆筑，每環(huán)的澆筑體積約為穹頂混凝土總體積的1/7。

（4）氣壓荷載：4500N/m2。

（5）風荷載：考慮100年一遇的風壓（500N/m2），并計入風振系數(shù)、風荷載體型系數(shù)及風壓高度變化系數(shù)，具體形式參考GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》。

圖4 澆筑荷載（澆筑第一環(huán)）

分環(huán)澆筑的頂梁框架應(yīng)力結(jié)果匯總見表2：

表2 工況1-8頂襯板及頂梁框架受力結(jié)果校核

屈曲計算考慮雙非線性，即材料非線性和幾何非線性。JGJ7-2010《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，考慮非線性時安全系數(shù)可取2。

表3 工況1-7頂襯板及頂梁框架屈曲計算校核

可以看出分環(huán)澆筑的應(yīng)力校核結(jié)果和穩(wěn)定性校核結(jié)果皆能夠滿足要求，且16萬方儲罐的分環(huán)澆筑的線性分析結(jié)果安全裕量較大，穩(wěn)定性分析結(jié)果的安全系數(shù)較高。

2.2 分層澆筑

分層澆筑主要分為2個計算工況。

根據(jù)施工方案，考慮兩個極端工況：

（1）7kPa內(nèi)壓保壓狀態(tài)，進行第一層混凝土澆筑。

（2）無內(nèi)壓狀態(tài)，進行第二層混凝土澆筑。

有限元模型：建立頂襯板、頂梁框架、混凝土結(jié)構(gòu)模型，正在澆筑的混凝土以均布荷載代替，澆筑完成的混凝土為具有強度和自重荷載的模型。

圖5 頂梁框架有限元模型

圖6 穹頂混凝土有限元模型

圖7 工況1穹頂襯板應(yīng)力結(jié)果

圖8 工況1穹頂襯板MAX應(yīng)力結(jié)果

圖9 工況1穹頂襯板MIN應(yīng)力結(jié)果

圖10 工況1穩(wěn)定性校核結(jié)果

表5 工況1穩(wěn)定性判別

由上述工況1的應(yīng)力校核結(jié)果和穩(wěn)定性校核結(jié)果可以看出，分層澆筑的第一層澆筑結(jié)果明顯強于分環(huán)澆筑的應(yīng)力校核結(jié)果和穩(wěn)定性校核結(jié)果，分析原因是由于分層澆筑為一次性成形澆筑，施加荷載較分環(huán)澆筑更為均勻。

圖11 工況2穹頂襯板應(yīng)力結(jié)果

圖12 工況2穹頂襯板MAX應(yīng)力結(jié)果

圖13 工況2穹頂襯板MIN應(yīng)力結(jié)果

表6 工況2應(yīng)力判別

圖14 穩(wěn)定性校核結(jié)果

表7 工況2穩(wěn)定性判別

由上述工況2的應(yīng)力校核結(jié)果和穩(wěn)定性校核結(jié)果可以看出，在未施加保壓壓力的情況下，分層澆筑的第二層澆筑結(jié)果較第一層澆筑的安全性反而升高了，分析原因是由于第一層混凝土澆筑成形，加固了穹頂結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

圖15 第一層混凝土應(yīng)力結(jié)果

可以看出第一層混凝土的最大拉應(yīng)力為0.67MPa不超過C50的設(shè)計強度，滿足要求。

3 考慮局部施工荷載的計算結(jié)果

考慮穹頂施工的具體程序可以有以下荷載：

恒荷載：第二層鋼筋和混凝土總重量，建議考慮一定的安全系數(shù)；

均布荷載：需要考慮0.75動荷載，面荷載；

集中荷載：鋼筋綁扎的過程出現(xiàn)的偶然鋼筋堆載：1.5t，20個點均布，混凝土澆筑的沖擊荷載及平板振動荷載；

平板振動荷載：按4個點考慮，單點荷載為5000N面積，200mm×200mm；

混凝土澆筑的沖擊荷載：按2個點考慮，單點荷載為：20000N。受力面積：0.5m半徑圓面。

圖16 整體模型荷載施加情況

圖17 整體豎向位移

可以看出最大整體位移最大為4.44mm。

圖18 鋼梁最大應(yīng)力

可以看出鋼梁的最大應(yīng)力為0.57MPa。

圖19 頂襯板應(yīng)力強度

可以看出頂襯板的應(yīng)力強度最大為14.35MPa。

圖20 混凝土最大主應(yīng)力

可以看出混凝的最大主應(yīng)力為0.97MPa。

由上述對于施工荷載的整體分析可以看出：分層澆筑在考慮部分施工過載的情況下仍能夠滿足應(yīng)力校核的要求，從設(shè)計計算的角度而言，分層澆筑的應(yīng)力校核結(jié)果明顯優(yōu)于分環(huán)澆筑的應(yīng)力校核結(jié)果。

4 分層澆筑優(yōu)化方案

分層澆筑的施工程序相對于分環(huán)澆筑的施工程序應(yīng)當進行一定改善，否則完成穹頂?shù)谝粚訚仓⑦M行罐內(nèi)撤壓后，穹頂養(yǎng)護用水有可能出現(xiàn)通過抗壓環(huán)背部滲入到罐內(nèi)的情況，在比較嚴重的情況下，由于穹頂澆筑第一層時墻體內(nèi)襯里板尚未安裝完成，穹頂養(yǎng)護用水通過墻體環(huán)梁上部混凝土和穹頂混凝土之間的裂縫越過抗壓環(huán)背部，進一步通過外墻內(nèi)表面滲入到罐內(nèi)，可能造成邊緣已經(jīng)施工的高強度玻璃磚和瀝青氈的位置出現(xiàn)積水的情況，最終導(dǎo)致需要對邊沿保溫玻璃磚和邊沿浸水保溫玻璃棉進行更換。因而分層澆筑不能采取與分環(huán)澆筑完全相同的施工順序程序，應(yīng)當做以下區(qū)別處理：

（1）穹頂混凝土澆筑前，與墻體環(huán)梁上部混凝土／穹頂混凝土之間的施工縫上部需要提前做防水處理（防水膠等止水措施）；

（2）穹頂混凝土澆筑時，與墻體環(huán)梁上部混凝土／穹頂內(nèi)襯板連接處也需要提前做防水處理（止水帶等止水措施）；

（3）穹頂鋼筋綁扎時，需提前進行穹頂排水管布置，并充分預(yù)估排水管的尺寸和數(shù)量；

（4）穹頂澆筑時墻體內(nèi)襯里板沒有安裝完成（一般墻體內(nèi)襯里板可在升頂后30-45天完成），需要提交組織施工單位進行交叉協(xié)調(diào)工作；

（5）墻體襯里抗壓環(huán)下面0.5m左右可以添加一圈環(huán)向預(yù)埋件，升頂后頂部環(huán)向預(yù)埋件應(yīng)與頂部抗壓環(huán)提前進行焊接，構(gòu)成封閉區(qū)域能夠一定程度上消除穹頂鋼筋綁扎階段下雨導(dǎo)致的漏水。

5 結(jié)論

（1）分層澆筑對于穹頂?shù)氖芰η闆r要明顯優(yōu)于分環(huán)澆筑的受力情況，由于穹頂澆筑承受的是均勻的面壓，分層澆筑即減小一半的澆筑厚度就可以。

（2）分層澆筑可以顯著縮短儲罐的施工周期，原因是由于第一層澆筑完成后可以取消保壓，提前打開外罐大洞口，進行內(nèi)罐施工的下一步工序（襯里板焊接、保溫玻璃磚鋪設(shè)、罐底環(huán)梁澆筑等）。

（3）分層澆筑需要注意采用與分環(huán)澆筑不同的施工順序程序，采用適當?shù)姆浪胧┖团潘绞讲拍苡行У仡A(yù)防儲罐滲水現(xiàn)象出現(xiàn)，同時從施工和設(shè)計角度出發(fā)才能合理地協(xié)調(diào)儲罐的施工工序并有效地縮短儲罐的建造周期。

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