大型LNG儲罐穹頂施工數(shù)值模擬

李建新 孫建剛 崔利富 鄒德磊

1東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院 2大連民族學(xué)院土木建筑工程學(xué)院3大連海事大學(xué)道路與橋梁工程研究所

大型LNG儲罐穹頂施工數(shù)值模擬

李建新1孫建剛2崔利富3鄒德磊1

1東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院 2大連民族學(xué)院土木建筑工程學(xué)院3大連海事大學(xué)道路與橋梁工程研究所

以16萬立方米大型LNG儲罐穹頂為例，應(yīng)用ADINA有限元軟件進(jìn)行LNG儲罐穹頂混凝土施工過程的溫度場和應(yīng)力場的耦合分析。從第一次至第四次澆筑溫度曲線，梁部溫度包絡(luò)圖以及混凝土、板溫度包絡(luò)圖可以看出：板溫度接近砼的溫度，溫度隨水化熱曲線先較快上升，后緩慢下降；節(jié)點溫度最高值出現(xiàn)在混凝土澆筑后的2～3 d內(nèi)，最大值為57.2℃，最大的溫度變化梯度發(fā)生在30～60 h。環(huán)向應(yīng)力分析證明：梁和板的環(huán)向應(yīng)力受到溫度的影響也呈先增大再緩慢減小的變化趨勢；最大值出現(xiàn)在混凝土澆筑后30～60 h，即出現(xiàn)在溫度最高的時刻。

LNG儲罐穹頂；傳熱；溫度場；熱結(jié)構(gòu)耦合；應(yīng)力

LNG儲罐穹頂大體積混凝土澆筑過程水化熱量巨大，混凝土水化熱溫度場對鋼結(jié)構(gòu)穹頂?shù)膽?yīng)力影響關(guān)系到施工過程的安全，因此有必要對LNG儲罐穹頂混凝土澆筑過程中鋼結(jié)構(gòu)穹頂?shù)膽?yīng)力影響進(jìn)行分析，以確保施工過程安全有序。

1 工程概況

LNG儲罐穹頂?shù)闹睆綖?2 m，拱高10.9 m；儲罐穹頂采用鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)，底部由鋼板與鋼梁焊接成一體作為穹頂?shù)墓羌?，鋼板上面澆筑鋼筋混凝土。鋼板厚度? mm；鋼梁由環(huán)梁和徑向梁組成，材料為“工”字鋼。邊緣混凝土厚度為0.8 m，中心處混凝土厚度為0.4 m，采用C50混凝土逆時針環(huán)向由外向內(nèi)澆注，分4次完成；澆注寬度為3.7、5.5、9.8和23.9 m。澆筑過程中，根據(jù)澆筑階段的不同在罐體內(nèi)施加不同的氣壓，澆筑完成一定時間后開始卸壓，每小時卸壓0.05 m水柱，20 h后卸壓完成。

2 穹頂有限元模型的建立

2.1 單元的選取

以16立萬米方大型LNG儲罐穹頂為例，建立ADINA有限元模型。LNG儲罐穹頂混凝土和鋼板單元采用8節(jié)點的三維實體單元，見圖1和圖2，鋼梁選用2節(jié)點的梁單元，見圖3。

2.2 熱參數(shù)的選取

由于工程中常用的混凝土結(jié)構(gòu)一般處于常溫(0 ～100℃)，計算中一般取定值。本文根據(jù)文獻(xiàn)[1-2]參考值將其取為2.35 W/(m·K)，比熱c取為0.97 kJ/kg·℃。當(dāng)溫度變化范圍不大時，同種金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)一般采用其溫度范圍內(nèi)的平均值。本文中“工”字鋼和鋼板的導(dǎo)熱系數(shù)取為43 W/(m·℃)，比熱取為0.473 KJ/（kg·℃）。

對于混凝土溫度應(yīng)力而言，線膨脹系數(shù)α是一個重要的參數(shù)，重要工程都通過試驗測定其數(shù)值。各國對線膨脹系數(shù)的推薦取值不同，如文獻(xiàn)[3]推薦的取值差別很大。在國內(nèi)一般認(rèn)為α=1×10-5℃-1。本文對α的取值采用國內(nèi)的一般取值，將鋼材的線膨脹系數(shù)取為1.2×10-5℃-1。

對于熱交換系數(shù)，各學(xué)者在研究中的取值差異相當(dāng)大。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為表面熱交換系數(shù)與結(jié)構(gòu)周圍風(fēng)速呈線性關(guān)系，并按一次函數(shù)取值進(jìn)行分析。本文取混凝土的熱交換系數(shù)h=6.32+3.36v（v取3 m/s），單位W/(m·℃)；鋼板表面光滑，在空氣中的熱交換系數(shù)取為76.7 kJ/(m2·h ?℃)。

圖1 混凝土的有限元模型圖 2 鋼板有限元模型圖 3 鋼梁的有限元模型

2.3 施加荷載、邊界條件

混凝土單元的生成通過生死命令來模擬。通過混凝土熱生成曲線來施加內(nèi)熱荷載。對流荷載根據(jù)混凝土單元生死命令施加在混凝土的表面和鋼板的上下表面，荷載的大小通過對流系數(shù)進(jìn)行控制?；炷了矐B(tài)溫度場分析采用第三類邊界條件。根據(jù)LNG儲罐穹頂施工時的實際工況，施加氣壓荷載。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

應(yīng)用ADINA有限元軟件中的TMC模塊，進(jìn)行LNG儲罐穹頂混凝土施工過程的溫度場和應(yīng)力場的耦合分析。初始溫度條件采用T|t=0=T0=18℃，認(rèn)為混凝土澆筑時溫度與外界氣溫接近，來考慮混凝土施工過程中LNG儲罐穹頂?shù)臏囟葓?。通過對LNG穹頂受力分析，得到了梁和板的溫度分布、徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力。

3.1 溫度分布

從第一次至第四次澆筑溫度曲線，梁部溫度包絡(luò)圖以及混凝土、板溫度包絡(luò)圖可以看出：板溫度接近砼的溫度，溫度隨水化熱曲線先較快上升，后緩慢下降；節(jié)點溫度最高值出現(xiàn)在混凝土澆筑后的2～3 d內(nèi)，最大值為57.2℃，最大的溫度變化梯度發(fā)生在30～60 h。說明了在溫度上升階段，水化熱量大于表面散熱量；溫度下降階段，水化熱量逐漸減小，表面散熱量大于水化熱量。

3.2 徑向應(yīng)力

從澆筑過程徑向應(yīng)力最大值及澆筑部位徑向應(yīng)力曲線可以看出：LNG儲罐穹頂澆筑過程中徑向應(yīng)力最大值始終出現(xiàn)在穹頂中心處附近，溫度最高時，由溫度引起的應(yīng)力達(dá)到最大，為137 MPa；混凝土澆筑部位梁板的徑向應(yīng)力受溫度的影響隨時間也呈先增大、再緩慢減小的變化趨勢。

3.3 環(huán)向應(yīng)力

從第一次澆筑梁板環(huán)向應(yīng)力曲線，澆筑梁板環(huán)向應(yīng)力云圖，澆筑過程環(huán)向應(yīng)力最大值曲線可以看出：梁和板的環(huán)向應(yīng)力受到溫度的影響也呈先增大、再緩慢減小的變化趨勢。最大值出現(xiàn)在混凝土澆筑后30～60 h，即出現(xiàn)在溫度最高的時刻。第一次澆筑的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在澆筑部位，最大壓應(yīng)力為94.3 MPa；第二～四次澆筑最大環(huán)向應(yīng)力出現(xiàn)在穹頂中心附近，最大拉應(yīng)力為118 MPa。隨著溫度的降低，應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)溫度恒定時，梁和板的環(huán)向應(yīng)力保持不變。

4 結(jié)語

以16萬立方米大型LNG儲罐穹頂為例，應(yīng)用ADINA有限元軟件進(jìn)行LNG儲罐穹頂混凝土施工過程的溫度場和應(yīng)力場的耦合分析。由于實際施工過程中，穹頂受力比較復(fù)雜，在有限元模擬過程中引入的一些假定與實際有一定的差別，如環(huán)境平均溫度假定，忽略了振搗荷載、人的活荷載以及混凝土澆筑的沖擊荷載等因素對穹頂?shù)挠绊?。國?nèi)外對LNG儲罐穹頂溫度場的研究較少，因此需要進(jìn)一步進(jìn)行理論研究及實驗研究，從而改進(jìn)數(shù)值仿真的邊界條件和參數(shù)設(shè)定，提高仿真精度。

[1]朱伯芳．大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M]．北京:中國電力出版社，1999．

[2]楊世銘．傳熱學(xué)[M]．北京:高等教育出版社，2006．

[3]張子明，張研，宋智通．基于細(xì)觀力學(xué)方法的混凝土熱膨脹系數(shù)預(yù)測[J]．計算力學(xué)學(xué)報，2007，24（6）：808-809．

10.3969/j.issn.1006-6896.2011.11.013

（欄目主持 楊 軍）