楊 偉

(中鐵十八局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司, 天津 300308)

由于液化天然氣(LNG)具有安全、綠色、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，在各地區(qū)得到大量的開發(fā)與應(yīng)用，而LNG儲(chǔ)罐作為其主要容器，其建造技術(shù)成為關(guān)注的焦點(diǎn)[1-4]。濟(jì)南曹苑30 000 m3LNG全容儲(chǔ)罐由于其較大的結(jié)構(gòu)跨度以及結(jié)構(gòu)重量，其安裝方法是影響施工后力學(xué)性能的重要因素。目前大型LNG儲(chǔ)罐已有的施工方法包括：液壓提升倒裝、中心柱倒裝、充氣頂升倒裝、水浮倒裝、正裝法和機(jī)械頂升倒裝法，考慮到液壓提升技術(shù)采用液壓控制柜集中控制，操作簡(jiǎn)單、平穩(wěn)且具有升(微)降功能，可微調(diào)焊縫間距，提高焊縫質(zhì)量和對(duì)口速度；而采用倒裝法施工避免了正裝高空作業(yè)、機(jī)械臺(tái)班多等不利因素，降低了成本，故項(xiàng)目采用液壓提升倒裝的整體提升施工技術(shù)。

結(jié)構(gòu)在施工過程中，由于體系一直處于動(dòng)態(tài)過程中，結(jié)構(gòu)的集合形態(tài)，邊界條件隨著施工過程的改變而發(fā)生改變[5-6]。整體提升技術(shù)多用于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中[7]，但是本工程相較于其他網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：1)上部結(jié)構(gòu)為網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，但網(wǎng)殼中鋼筋分布不對(duì)稱，工程跨度大導(dǎo)致受力不均勻；2)罐壁為薄殼結(jié)構(gòu)，在提升過程中提升速率過快容易發(fā)生大變形甚至屈曲等問題；3)結(jié)構(gòu)共有39個(gè)提升點(diǎn)，當(dāng)提升點(diǎn)發(fā)生微小位移差值時(shí)，結(jié)構(gòu)受力會(huì)產(chǎn)生較大變化，施工工況變得復(fù)雜。因此對(duì)儲(chǔ)罐提升過程中的力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其提升過程中的力學(xué)特性，為整個(gè)提升過程提供理論依據(jù)，用于指導(dǎo)日后的同類工程施工。

1 工程概況

某LNG儲(chǔ)罐上部采用肋環(huán)形網(wǎng)殼，球形拱頂，矢高為7.675 m，采用16 MnDR材質(zhì)，總質(zhì)量超過2 800 t，網(wǎng)殼俯視如圖1所示。由于網(wǎng)殼在120°～150°范圍內(nèi)，上部存在管道以及人梯等結(jié)構(gòu)，需增大H型鋼的截面尺寸，導(dǎo)致網(wǎng)殼為不完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)。拱頂連接吊桿及吊頂板，吊桿材料為S30408，吊頂板材料為5083-0鋁合金。外罐為平底、圓筒形金屬儲(chǔ)罐，直徑為43.5 m，材料為S30408，罐壁總高度為28.6 m。實(shí)物如圖2所示，外立面如圖3所示。罐壁一共有15圈，在第5圈和第10圈設(shè)置環(huán)向加勁肋以增大側(cè)向剛度。下部結(jié)構(gòu)由14層罐壁壁板和最頂層抗壓圈組成，從下至上分別為第1～14圈壁板，每層罐壁的高度均相同(為2 m)，厚度不相同，最底層罐壁厚度為20 mm，隨著高度的增加，罐體厚度減少至第14層的12 mm，頂部抗壓圈厚度為60 mm，高度為0.6 m。

圖1 LNG儲(chǔ)罐網(wǎng)殼俯視

圖2 濟(jì)南南曹苑LNG儲(chǔ)罐實(shí)物

圖3 LNG儲(chǔ)罐外立面 mm

液壓提升施工在罐內(nèi)抗壓圈及拱頂鋼結(jié)構(gòu)全部焊接完成后再進(jìn)行整個(gè)提升過程，從拱頂開始倒序施工。提升部位及提升次序如表1所示，每一次提升均增加一個(gè)施工部位。液壓提升裝置的安置位置均布在罐內(nèi)距罐壁250 mm的圓周上，共39臺(tái)，吊點(diǎn)布置如圖4所示。在提升階段結(jié)構(gòu)主體與地面無連接，采用位移控制，試提升50 mm后停止，對(duì)網(wǎng)殼以及罐壁的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，觀察整體提升的同步性。提升時(shí)速度為0.2 m/min，每次提升高度固定為2 050 mm并隨時(shí)調(diào)平，差異控制在50 mm以內(nèi)，當(dāng)某些吊點(diǎn)出現(xiàn)問題時(shí)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。

表1 LNG儲(chǔ)罐提升次序

圖4 液壓提升裝置平面布置

2 提升過程中的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的受力在提升過程中和提升完畢后是不同的[8]，不同之處可以表現(xiàn)為：1)最開始網(wǎng)殼在提升過程中僅受到重力的作用，隨著下部抗壓圈及壁板的增加，網(wǎng)殼底部的約束力在增加；2)壁板不僅作為被提升點(diǎn)使用，還在提升過程中承受來自上部的荷載。在提升過程中，壁板底部無任何約束。但是在提升完成后，底部和上部結(jié)構(gòu)連成一個(gè)整體，在底部施加固接約束條件。

3 有限元模型建立

考慮結(jié)構(gòu)在工作中的最不利狀態(tài)時(shí)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)的變化可不考慮[9]。提升過程雖然是由一個(gè)位形移動(dòng)到另一個(gè)位形的動(dòng)態(tài)過程，但由于結(jié)構(gòu)主體的提升速度為0.2 m/min，運(yùn)動(dòng)中的加速度可忽略不計(jì)，可以采用靜力學(xué)的方法來分析提升過程。

為保證有限元模型符合工程實(shí)際，頂部網(wǎng)殼桿件、吊桿均采用Beam單元。罐壁以及吊頂板為薄壁結(jié)構(gòu)，采用Shell單元進(jìn)行模擬。由于網(wǎng)殼和抗壓圈之間、吊桿與吊頂板之間、罐壁與頂部抗壓圈之間、罐壁與罐壁之間、加勁肋與罐壁間均采用焊接連接，故均采用Tie連接。

利用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，考慮到網(wǎng)殼桿件及吊桿桿件數(shù)量過多，采用編程軟件Python進(jìn)行參數(shù)化建模。在實(shí)際工程中，結(jié)構(gòu)僅受到豎向提升作用，處于一種懸掛的漂浮狀態(tài)。為模擬提升狀態(tài)，采用位移控制，在每個(gè)提升點(diǎn)處均施加了一個(gè)豎直方向的位移約束，即施加了一個(gè)支座約束[10-11]。然而有靜力分析中如果僅對(duì)結(jié)構(gòu)施加豎向約束，形成的結(jié)構(gòu)整體剛度矩陣是奇異的，不滿足計(jì)算要求，必須再施加水平向的約束來消除結(jié)構(gòu)剛體位移[11]。因此結(jié)構(gòu)在建立有限元模型時(shí)，給水平方向施加了鉸接約束邊界條件。由于結(jié)構(gòu)在提升過程中僅受到自重作用，故荷載條件只考慮自重荷載。結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

圖5 LNG儲(chǔ)罐有限元模型(整體)

由于壁板材料采用S30408奧氏體不銹鋼，根據(jù)CECS 410∶2015《不銹鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，其物理及力學(xué)性能應(yīng)滿足表2要求。

表2 S30408不銹鋼材料的物理及力學(xué)性能

4 無脹圈不同步提升過程研究

4.1 不同步提升模擬方法

由于本工程采用的千斤頂允許的位移差為±25 mm，所以假定不同步提升時(shí)的誤差為±25 mm，采用蒙特卡洛抽樣方法進(jìn)行抽樣[12-13]，工程中規(guī)定，在滿足 99.7%的置信區(qū)間內(nèi)的誤差是被工程接受的，所以假定誤差的分布滿足平均值μ=0,方差σ=0.008 3的高斯分布。根據(jù)蒙特卡洛抽樣方法，可知其提升誤差的抽樣樣本概率分布見圖6。本文進(jìn)行了1 000次循環(huán)計(jì)算，保證提升誤差控制在±0.025 m之內(nèi)。

圖6 提升點(diǎn)提升誤差分布

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

由于倒裝法施工，隨著壁板的增加，結(jié)構(gòu)的自重也在不斷增加。故對(duì)最后一步提升時(shí)的施工進(jìn)行模擬。根據(jù)蒙特卡洛抽樣方法，在提升點(diǎn)處施工存在不同的施工誤差，當(dāng)誤差為負(fù)值時(shí)，提升鏈條相當(dāng)于松弛狀態(tài)，即該提升點(diǎn)失效，以保證能夠準(zhǔn)確地反映施工工況。通過模擬可知，其最大應(yīng)力云圖如圖7所示，最大位移云圖如圖8所示。網(wǎng)殼和罐壁的應(yīng)力及位移云圖分別如圖9和圖10所示。可知，存在位移差導(dǎo)致儲(chǔ)罐在罐壁處產(chǎn)生最大應(yīng)力，約為256.5 MPa。由于S30408不銹鋼的屈服強(qiáng)度為205 MPa，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度，即結(jié)構(gòu)存在屈服變形情況，不滿足施工要求。結(jié)構(gòu)的最大位移為38 mm，變形較小。

圖7 提升過程結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖 Pa

圖8 提升過程結(jié)構(gòu)位移云圖 m

a—網(wǎng)殼應(yīng)力云圖,Pa； b—網(wǎng)殼變形云圖,m。

a—罐壁應(yīng)力云圖，Pa； b—罐壁位移云圖，m。

將1 000次抽樣結(jié)果的最大應(yīng)力提取后，繪制于圖11中?？芍?，當(dāng)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力小于屈服應(yīng)力的模型占87.1%，即有12.9%的概率會(huì)在提升點(diǎn)附近出現(xiàn)最大應(yīng)力，故千斤頂?shù)奶嵘`差過大，需要更換小誤差范圍的千斤頂進(jìn)行施工作業(yè)。

圖11 提升最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力概率分布

5 脹圈同步提升過程研究

根據(jù)第4節(jié)可知，結(jié)構(gòu)在不同步提升下，易存在結(jié)構(gòu)某些部位的應(yīng)力大于屈服應(yīng)力的情況。為避免這種情況的發(fā)生，提出一種新的施工方法——脹圈法。脹圈為工字鋼結(jié)構(gòu)，其通過門形卡固定在壁板內(nèi)側(cè)，門形卡與罐壁之間采用焊縫連接。在提升過程中，將提升點(diǎn)布置在脹圈上，提升點(diǎn)的集中力通過脹圈變?yōu)榫剂κ┘釉诠薇趦?nèi)側(cè)，使得罐壁由最初的集中力作用變?yōu)榫剂ψ饔?，可以有效降低結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲變形的概率。當(dāng)結(jié)構(gòu)完成施工后，將脹圈進(jìn)行敲除，并用于下一圈壁板提升過程。脹圈的結(jié)構(gòu)如圖12所示。為簡(jiǎn)化模擬，將脹圈簡(jiǎn)化為一圈工字鋼，采用Tie連接。此時(shí)提升點(diǎn)數(shù)量依舊為39個(gè)，提升位置由罐壁底部變?yōu)槊浫μ帯?/p>

圖12 脹圈結(jié)構(gòu)示意

通過模擬可得到數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖13和圖14所示，網(wǎng)殼和罐壁的應(yīng)力、位移云圖如圖15、圖16所示，可知：脹圈提升可以有效減少網(wǎng)殼和罐壁的應(yīng)力和變形；網(wǎng)殼應(yīng)力減少34.5%，變形減少了33%，罐壁應(yīng)力減少47.3%，變形減少65.5%，表明脹圈法施工對(duì)罐壁受力和變形影響更為明顯。網(wǎng)殼和罐壁的應(yīng)力均以最后一步提升為例，由圖13和圖7對(duì)比可知，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力大幅減小至135.2 MPa，減少了47.3%。最大位移為22.3 mm，降低了41.8%，很好解決了由于不同步提升導(dǎo)致的應(yīng)力集中問題。另外，采用脹圈施工，其位移云圖更符合結(jié)構(gòu)荷載的分布。由于結(jié)構(gòu)的梁、吊桿等構(gòu)件設(shè)計(jì)為不完全對(duì)稱性，導(dǎo)致其力學(xué)分布以及位移分布也呈現(xiàn)不對(duì)稱性。在荷載較大的工字型梁，即120°～150°的范圍內(nèi)，其受力大、變形也大。同樣采用蒙特卡洛進(jìn)行抽樣，提取1 000次抽樣結(jié)果的最大應(yīng)力，將所有應(yīng)力區(qū)間分布匯于圖17中。通過模擬可知，其應(yīng)力主要分布在130～140 MPa之間，遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度，故其滿足工程施工設(shè)計(jì)的要求。

圖13 脹圈提升結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖 Pa

圖14 脹圈提升結(jié)構(gòu)位移云圖 m

a—脹圈提升網(wǎng)殼應(yīng)力云圖，Pa； b—脹圈提升網(wǎng)殼變形云圖，m。

a—脹圈提升罐壁應(yīng)力云圖,Pa； b—脹圈提升罐壁位移云圖,m。

圖17 結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力分布概率

不同階段罐體的提升力如表3所示，可知，罐體的提升力先減小后增加。這是由于隨著罐壁高度的增加，其對(duì)上部網(wǎng)殼的約束作用減弱，即最大應(yīng)力位置由罐壁和抗拉圈連接處逐漸轉(zhuǎn)移至提升點(diǎn)附件，故最大應(yīng)力先減小再增加。且由于脹圈的作用，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象減弱，結(jié)構(gòu)的最大位移也基本保持不變。

表3 不同階段提升過程下結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算書和設(shè)計(jì)圖紙，可得到各部位的提升重量。將提升部位的重量均勻分配給39個(gè)提升點(diǎn)，得到提升點(diǎn)提升力的理論計(jì)算值。將提升點(diǎn)的反力與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果數(shù)據(jù)見表4。取5個(gè)參考點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)距離罐壁60°、120°、180°、240°、300°最近的提升點(diǎn)處，可以看出，由于RP2參考點(diǎn)所在的位置，自重荷載較大，故其提升反力數(shù)值較大。提升力的數(shù)值和理論計(jì)算值的誤差較小，最大差值為 3%，表明該提升方法可以很好地滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)變形以及提升力的要求。

表4 數(shù)值模擬與理論計(jì)算值

6 結(jié)束語

1)通過施工全過程數(shù)值模擬分析，得到了LNG儲(chǔ)罐多點(diǎn)直接提升法的應(yīng)力分布，考慮提升點(diǎn)千斤頂誤差引起的提升不同步問題，根據(jù)蒙特卡洛抽樣方法確定了位移差的隨機(jī)數(shù)值分布，并分別施加在提升點(diǎn)。通過上千次循環(huán)計(jì)算，得到了考慮隨機(jī)位移差分布下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)直接多點(diǎn)提升法施工時(shí)，可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)屈曲的安全問題。

2)提出LNG儲(chǔ)罐脹圈法提升方法，并將其與無脹圈不同步提升進(jìn)行對(duì)比，表明該提升方法可以有效減小提升應(yīng)力集中，且模擬提升時(shí)提升點(diǎn)反力的均值和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的差值較小。脹圈法施工時(shí)，結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生屈服變形，可以用于同類工程施工中。

3)采用ABAQUS建立有限元模型模擬儲(chǔ)罐在施工狀態(tài)下的提升力學(xué)性能，可采用靜力學(xué)方法進(jìn)行模擬。不同步提升誤差可采用施加位移差的方式進(jìn)行模擬。通過將數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算書中得到的理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，可驗(yàn)證模型的合理性。