LNG储罐穹顶分层浇筑和分环浇筑方案对比研究

时间：2024-08-31

范嘉堃，毕晓星，陈团海，许佳伟，邱灶杨

（中海石油气电集团有限责任公司，北京 100028）

随着国内天然气应用的推广，部分地区和行业对天然气资源的依赖程度相应增加，城市用户和天然气电厂用户在不同季节，不同时段对天然气需求波动较大，但目前管道气储气调峰能力有限，一旦发生供应短缺，很多用户短期内很难转而使用其它替代能源，由此产生巨大的社会压力。特别是2017年冬季，在全国大范围煤改气的背景下，全国多地因为天然气基础设施建设不足而出现不同程度的“气荒”。建立LNG调峰储运中心，通过建设集群LNG储罐可在很大程度上保障市场上天然气的稳定供应，缓解供应短缺带来的社会压力。

依靠集群LNG储罐，投资建设一定规模的LNG调峰储运中心，对于保障国内天然气市场供气的连续性和稳定性，保障民生，推进生态文明建设，保持煤改气持续深入推进，缓解华北、华中、华东地区的“气荒”，保持社会稳定，创建和谐社会是非常必要的。

解决眼前的气荒问题，迫在眉睫的是降低储罐的施工周期，加快目前在建储备设施的工程进度。一般16万方储罐的建设周期在两年半以上，穹顶浇筑是储罐施工建设关键路径中的重要一环，对于穹顶浇筑施工方法的优化提升，能够显著缩短储罐的施工周期，并降低穹顶浇筑时的安全风险，还可以降低平均浇筑成本。本文对两种形式的浇筑方式的施工顺序程序、整体结构稳定性进行了分析。

1 施工顺序程序

1.1 分环浇筑

储罐穹顶混凝土分环浇筑过程期间每一环浇筑需按设计要求保压。混凝土每一环需一次性连续浇筑完成，以提高穹顶的整体结构性。在变厚度段混凝土浇筑厚度由环梁截面逐渐过渡为400mm。混凝土浇筑需满足如下要求：混凝土浇筑前，钢筋绑扎工作必须全部完成，包括：预埋件铺设、钢筋连接等；在浇筑每一环混凝土的过程中，罐内必须保持设计所需的内压值；混凝土浇筑由罐顶环梁位置起始，依据分区设计要求逐次浇筑，以7环为例。穹顶混凝土浇筑强度及内压值见表1。

表1 穹顶混凝土浇筑强度及内压值

1.2 分层浇筑

储罐穹顶环梁采用分层浇筑方案，与抗压环及抗压圈的安装工作协调进行。穹顶混凝土采用分为两层的浇筑方案施工。抗压环梁处预应力布置及混凝土浇筑分区设计如图2所示，整体穹顶混凝土浇筑厚度为400mm，第一层先浇表层混凝土厚度为200mm，第二层后浇面层混凝土厚度为200mm。

图2 罐顶环梁处施工布置图

储罐罐顶的衬板通过顶梁框架支撑，用来作为罐顶混凝土浇注时用的模具。顶梁框架主要用来对罐顶衬板进行支撑，直到浇注的混凝土罐顶自身获得足够的强度。混凝土凝固之后，除了顶梁框架及悬吊顶的自重之外的其它所有载荷都将由混凝土穹顶支撑。在罐顶浇注混凝土期间，将会向储罐内充压以减轻作用在支架结构上的载荷。

储罐穹顶混凝土分层浇筑过程期间第一层浇筑需按设计要求保压。混凝土第一层需一次性连续浇筑完成，以提高穹顶的整体结构性能。在变厚度段混凝土浇筑厚度由环梁截面逐渐过渡为200mm。混凝土浇筑需满足如下要求：混凝土浇筑之前，钢筋绑扎工作必须全部完成，包括：预埋件铺设、钢筋连接等；在浇筑第一层混凝土过程中，罐内必须保持设计所需的内压值；混凝土第二层浇筑过程中，依据分区设计进行逐次浇筑。

2 顶梁框架线有限元分析

由上文可知分环浇筑和分层浇筑的施工方案对于储罐整体穹顶钢结构的受力影响是明显不同的。储罐浇筑期间需要进行保压，故穹顶钢结构承受来自储罐内部的气体压力可以认为是向上的均布压力。储罐浇筑期间的浇筑压力，可以认为是向下的均布压力。两者互为平衡共同组建了穹顶钢结构的受力体系。在分环浇筑中，由于每一环的浇筑压力即向下的均布荷载对于穹顶钢结构的施加位置不同，造成了每一环穹顶钢结构的受力状态有所不同，尤其在最后一环的浇筑时的受力更不平稳。而在分层浇筑中，由于第一层的浇筑为一次性浇筑，对于穹顶钢结构的荷载则更为均匀，不会出现穹顶分环浇筑时的不均匀受力。分层浇筑的第二层的浇筑虽然也采用的是分环浇筑的模式，但是由于第一层混凝土已完成初凝，具有一定的强度，故整体穹顶荷载承受能力显著增强，浇筑压力对于穹顶钢结构的受力影响减小。

本文采取的穹顶顶梁框架模型包括96根纵梁和7圈环梁，主要依据JGJ 7-2010《空间网格结构技术规程》、GB50017-2017《钢结构设计规范》进行计算分析，线弹性分析主要校核强度及浇筑过程的结构稳定性。

图3 顶梁框架设计图

2.1 分环浇筑

分环浇筑主要包括以下荷载：

（1）恒载：包括框架梁的自重、顶衬板的自重以及吊顶等的自重。

（2）活载：1200N/m2。

（3）浇筑荷载：混凝土穹顶分7环浇筑，每环的浇筑体积约为穹顶混凝土总体积的1/7。

（4）气压荷载：4500N/m2。

（5）风荷载：考虑100年一遇的风压（500N/m2），并计入风振系数、风荷载体型系数及风压高度变化系数，具体形式参考GB50009-2012《建筑结构荷载规范》。

图4 浇筑荷载（浇筑第一环）

分环浇筑的顶梁框架应力结果汇总见表2：

表2 工况1-8顶衬板及顶梁框架受力结果校核

屈曲计算考虑双非线性，即材料非线性和几何非线性。JGJ7-2010《空间网格结构技术规程》规定，考虑非线性时安全系数可取2。

表3 工况1-7顶衬板及顶梁框架屈曲计算校核

可以看出分环浇筑的应力校核结果和稳定性校核结果皆能够满足要求，且16万方储罐的分环浇筑的线性分析结果安全裕量较大，稳定性分析结果的安全系数较高。

2.2 分层浇筑

分层浇筑主要分为2个计算工况。

根据施工方案，考虑两个极端工况：

（1）7kPa内压保压状态，进行第一层混凝土浇筑。

（2）无内压状态，进行第二层混凝土浇筑。

有限元模型：建立顶衬板、顶梁框架、混凝土结构模型，正在浇筑的混凝土以均布荷载代替，浇筑完成的混凝土为具有强度和自重荷载的模型。

图5 顶梁框架有限元模型

图6 穹顶混凝土有限元模型

图7 工况1穹顶衬板应力结果

图8 工况1穹顶衬板MAX应力结果

图9 工况1穹顶衬板MIN应力结果

图10 工况1稳定性校核结果

表5 工况1稳定性判别

由上述工况1的应力校核结果和稳定性校核结果可以看出，分层浇筑的第一层浇筑结果明显强于分环浇筑的应力校核结果和稳定性校核结果，分析原因是由于分层浇筑为一次性成形浇筑，施加荷载较分环浇筑更为均匀。

图11 工况2穹顶衬板应力结果

图12 工况2穹顶衬板MAX应力结果

图13 工况2穹顶衬板MIN应力结果

表6 工况2应力判别

图14 稳定性校核结果

表7 工况2稳定性判别

由上述工况2的应力校核结果和稳定性校核结果可以看出，在未施加保压压力的情况下，分层浇筑的第二层浇筑结果较第一层浇筑的安全性反而升高了，分析原因是由于第一层混凝土浇筑成形，加固了穹顶结构的整体稳定性。

图15 第一层混凝土应力结果

可以看出第一层混凝土的最大拉应力为0.67MPa不超过C50的设计强度，满足要求。

3 考虑局部施工荷载的计算结果

考虑穹顶施工的具体程序可以有以下荷载：

恒荷载：第二层钢筋和混凝土总重量，建议考虑一定的安全系数；

均布荷载：需要考虑0.75动荷载，面荷载；

集中荷载：钢筋绑扎的过程出现的偶然钢筋堆载：1.5t，20个点均布，混凝土浇筑的冲击荷载及平板振动荷载；

平板振动荷载：按4个点考虑，单点荷载为5000N面积，200mm×200mm；

混凝土浇筑的冲击荷载：按2个点考虑，单点荷载为：20000N。受力面积：0.5m半径圆面。

图16 整体模型荷载施加情况

图17 整体竖向位移

可以看出最大整体位移最大为4.44mm。

图18 钢梁最大应力

可以看出钢梁的最大应力为0.57MPa。

图19 顶衬板应力强度

可以看出顶衬板的应力强度最大为14.35MPa。

图20 混凝土最大主应力

可以看出混凝的最大主应力为0.97MPa。

由上述对于施工荷载的整体分析可以看出：分层浇筑在考虑部分施工过载的情况下仍能够满足应力校核的要求，从设计计算的角度而言，分层浇筑的应力校核结果明显优于分环浇筑的应力校核结果。

4 分层浇筑优化方案

分层浇筑的施工程序相对于分环浇筑的施工程序应当进行一定改善，否则完成穹顶第一层浇筑并进行罐内撤压后，穹顶养护用水有可能出现通过抗压环背部渗入到罐内的情况，在比较严重的情况下，由于穹顶浇筑第一层时墙体内衬里板尚未安装完成，穹顶养护用水通过墙体环梁上部混凝土和穹顶混凝土之间的裂缝越过抗压环背部，进一步通过外墙内表面渗入到罐内，可能造成边缘已经施工的高强度玻璃砖和沥青毡的位置出现积水的情况，最终导致需要对边沿保温玻璃砖和边沿浸水保温玻璃棉进行更换。因而分层浇筑不能采取与分环浇筑完全相同的施工顺序程序，应当做以下区别处理：

（1）穹顶混凝土浇筑前，与墙体环梁上部混凝土／穹顶混凝土之间的施工缝上部需要提前做防水处理（防水胶等止水措施）；

（2）穹顶混凝土浇筑时，与墙体环梁上部混凝土／穹顶内衬板连接处也需要提前做防水处理（止水带等止水措施）；

（3）穹顶钢筋绑扎时，需提前进行穹顶排水管布置，并充分预估排水管的尺寸和数量；

（4）穹顶浇筑时墙体内衬里板没有安装完成（一般墙体内衬里板可在升顶后30-45天完成），需要提交组织施工单位进行交叉协调工作；

（5）墙体衬里抗压环下面0.5m左右可以添加一圈环向预埋件，升顶后顶部环向预埋件应与顶部抗压环提前进行焊接，构成封闭区域能够一定程度上消除穹顶钢筋绑扎阶段下雨导致的漏水。