钟 曦

中海石油气电集团有限责任公司，北京100028

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筑时用的模具。顶梁框架主要用来对罐顶衬板进行支撑，直到浇筑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他所有载荷都将由混凝土罐顶支撑。在罐顶浇筑混凝土期间，将会向储罐内充压以减轻作用在支架结构上的载荷。

目前，国内外已建成大型LNG全容储罐的穹顶混凝土浇筑施工，大部分采用分层浇筑的方法，即将350～450 mm厚的混凝土穹顶结构按200 mm左右的厚度分为两层进行浇筑，这样可以减少每层浇筑时的混凝土荷载，从而保证钢制顶梁框架在浇筑过程中的受力和稳定性。此施工方法工期较长，且分层浇筑将人为地增加一道施工缝，破坏了混凝土结构的整体性，降低了结构的抗震性能。

本文结合实际工程案例，探讨了一种全新的混凝土分圈不分层浇筑、保压压力逐级增加的施工工法，不但解决了混凝土浇筑压力过大的问题，且避免了施工缝的出现，增加了穹顶混凝土结构的整体性，增强了结构的抗震性能，同时大大加快了施工进度，节约了成本。本文的研究成果对于优化大型LNG储罐穹顶混凝土浇筑施工方法，制订相关设计规范具有一定的指导意义。

1 顶梁框架设计参数

本工程储罐净容积16万m3，内罐直径82 m，外罐内径84 m，穹顶半径84 m，穹顶混凝土中心区厚度400 mm。穹顶钢结构包括衬板和顶梁框架，衬板厚度为6 mm，采用S275J2碳钢板；顶梁框架如图1所示，包括环梁和纵梁及中心环，均采用S355J2热轧H型钢。纵环梁如图1所示，纵梁由104块H型钢组成，环梁由486块H型钢组成。衬板纵梁外缘直径83.64 m，环梁共分7圈，各圈半径分别为6、9.5、16、23、29、34和38.5 m。衬板总质量279 698 kg、梁总质量154 776 kg，穹顶钢结构总质量434 474 kg。衬板允许抗力为176.3 MPa，顶梁框架允许抗力为202.1 MPa。

图1 顶梁框架平面图示意

2 荷载及其组合

由于环梁共分7圈，为了每圈混凝土浇筑时两端有固定支撑，因此将混凝土浇筑圈数也定为7圈，这样各圈混凝土浇筑时两端均有环梁作为支撑，能有效地降低碳钢衬板的应力水平。各圈混凝土浇筑时，均通过鼓风机向储罐内吹入空气，通过增加内部气压的方式减少混凝土浇筑荷载对衬板及顶梁框架的影响。在有限元模型中，通过变化不同气压进行模拟，发现1～2环气压4 kPa、3～4环气压6.5 kPa，5～7环气压9.5 kPa时，衬板及顶梁框架的受力情况与屈曲情况都处于安全可控的区间。浇筑采用分圈不分层的浇筑方法，各圈都是整体浇筑，避免了分层浇筑带来的层间施工冷缝。

本次技术研究采用ABAQUS有限元软件进行数值模拟，单元总数10 400，节点总数6 721。材料考虑非线性，S275J2屈服强度275 MPa；S355J2屈服强度355 MPa。本工程设计要求在前一圈混凝土立方体强度达到C30后，方可浇筑下一圈混凝土，因此假定前一圈混凝土浇筑后硬化，下一圈混凝土浇筑时不再考虑前一圈混凝土对衬板及顶梁框架的荷载效应，认为其与混凝土外罐是一整体结构。图2为顶衬板模型，图3为顶梁框架模型。

图2 顶衬板模型图

图3 顶梁框架模型

穹顶混凝土浇筑时顶梁框架考虑的荷载包括恒载（框架梁的自重、顶衬板、铝吊顶等的自重）、活载（2.4 kPa）、浇筑荷载（混凝土穹顶分7环浇筑，混凝土密度统一取为2 500 kg/m3）、气压荷载（1～2环4 kPa，3～4环6.5 kPa，5～7环9.5 kPa）、风荷载（计入风振系数、体型系数、高度变化系数）。

荷载组合分为受力计算时的组合及屈曲计算时的组合。荷载组合及组合系数如表1～2所示。

表1 受力计算时不同工况的荷载组合系数

表2 屈曲计算时不同工况的荷载组合系数

3 计算结果

3.1 受力计算

图4、图5是其中最不利工况5下顶衬板和顶框架梁的应力云图。

图4 顶衬板应力云图

图5 顶梁框架应力云图

从表3可见，顶衬板与顶梁框架的应力水平均小于允许抗力，满足设计要求。

表3 不同工况下顶衬板及顶梁框架受力结果

3.2 屈曲计算

屈曲计算考虑双非线性，即材料非线性和几何非线性，并考虑初始缺陷。JGJ7-2010《空间网格结构技术规程》规定，初始缺陷可采用结构的最低阶屈曲模态，按结构跨度的1/300考虑；考虑非线性时，其安全系数可取为2。表4是不同工况下顶衬板及顶框架梁屈曲计算结果汇总。

从表4可见，顶衬板与顶梁框架的屈曲计算安全系数均大于2，满足设计要求。

4 结论

LNG预应力储罐穹顶混凝土分圈浇筑施工方法在保压气压逐渐加大的过程中，顶衬板及顶框架梁的受力计算和屈曲计算结果都是安全可控的，顶衬板及顶框架梁应力并没有显著增大，因此很好地解决了分层浇筑混凝土荷载过大的问题。

表4 不同工况下顶衬板及顶梁框架屈曲结果

在有限元精确计算的情况下，设置合理的保压气压值及气压增加梯度，并合理划分混凝土浇筑分块区间及数量，能很好地解决混凝土分块浇筑荷载较大的问题，同时避免了施工缝的产生，保证了混凝土结构的完整性，提高了结构的抗震性。该穹顶混凝土分圈浇筑施工技术相对于传统混凝土分层浇筑施工技术，具有缩短工期、降低造价、保证结构完整性和抗震性能的优点，值得大力推广。