LNG儲罐穹頂分層澆筑和分環(huán)澆筑方案對比研究

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設施建設不足而出現(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，緩解供應短缺帶來的社會壓力。

依靠集群LNG儲罐，投資建設一定規(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，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施的工程進度。一般16萬方儲罐的建設周期在兩年半以上，穹頂澆筑是儲罐施工建設關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、整體結構穩(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結構性。在變厚度段混凝土澆筑厚度由環(huán)梁截面逐漸過渡為400mm?；炷翝仓铦M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：預埋件鋪設、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。抗壓環(huán)梁處預應力布置及混凝土澆筑分區(qū)設計如圖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?；炷聊讨螅隧斄嚎蚣芗皯业蹴?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構上的載荷。

儲罐穹頂混凝土分層澆筑過程期間第一層澆筑需按設計要求保壓?；炷恋谝粚有枰淮涡赃B續(xù)澆筑完成，以提高穹頂?shù)恼w結構性能。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：預埋件鋪設、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構的受力影響是明顯不同的。儲罐澆筑期間需要進行保壓，故穹頂鋼結構承受來自儲罐內(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構的受力體系。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構的施加位置不同，造成了每一環(huán)穹頂鋼結構的受力狀態(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，對于穹頂鋼結構的荷載則更為均勻，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構的受力影響減小。

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)格結構技術規(guī)程》、GB50017-2017《鋼結構設計規(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構穩(wěn)定性。

圖3 頂梁框架設計圖

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《建筑結構荷載規(guī)范》。

圖4 澆筑荷載（澆筑第一環(huán)）

分環(huán)澆筑的頂梁框架應力結果匯總見表2：

表2 工況1-8頂襯板及頂梁框架受力結果校核

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)格結構技術規(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)澆筑的應力校核結果和穩(wěn)定性校核結果皆能夠滿足要求，且16萬方儲罐的分環(huán)澆筑的線性分析結果安全裕量較大，穩(wěn)定性分析結果的安全系數(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、混凝土結構模型，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穹頂襯板應力結果

圖8 工況1穹頂襯板MAX應力結果

圖9 工況1穹頂襯板MIN應力結果

圖10 工況1穩(wěn)定性校核結果

表5 工況1穩(wěn)定性判別

由上述工況1的應力校核結果和穩(wěn)定性校核結果可以看出，分層澆筑的第一層澆筑結果明顯強于分環(huán)澆筑的應力校核結果和穩(wěn)定性校核結果，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穹頂襯板應力結果

圖12 工況2穹頂襯板MAX應力結果

圖13 工況2穹頂襯板MIN應力結果

表6 工況2應力判別

圖14 穩(wěn)定性校核結果

表7 工況2穩(wěn)定性判別

由上述工況2的應力校核結果和穩(wěn)定性校核結果可以看出，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，加固了穹頂結構的整體穩(wěn)定性。

圖15 第一層混凝土應力結果

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

3 考慮局部施工荷載的計算結果

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 鋼梁最大應力

可以看出鋼梁的最大應力為0.57MPa。

圖19 頂襯板應力強度

可以看出頂襯板的應力強度最大為14.35MPa。

圖20 混凝土最大主應力

可以看出混凝的最大主應力為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力校核的要求，從設計計算的角度而言，分層澆筑的應力校核結果明顯優(yōu)于分環(huán)澆筑的應力校核結果。

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)向預埋件，升頂后頂部環(huán)向預埋件應與頂部抗壓環(huán)提前進行焊接，構成封閉區(qū)域能夠一定程度上消除穹頂鋼筋綁扎階段下雨導致的漏水。

5 結論

（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、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防儲罐滲水現(xiàn)象出現(xiàn)，同時從施工和設計角度出發(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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