大型LNG储罐承台砼裂缝控制的探讨

大型LNG储罐承台砼裂缝控制的探讨

刘召莉

中国建筑第二工程局核电建设分公司，广东省 518000

摘要：储罐承台为大体积砼，施工控制不当将导致砼出现裂纹，本文通过对承台施工的工序分析，指出了承台浇筑前后施工控制要点，通过事前准备、事中控制、事后总结的方法，应从原材料选择、优化配合比设计及施工技术措施等有关环节进行把控，保证大体积砼浇筑能够顺利进行，同时提出了大体积砼施工过程常见问题及提升措施，为后续项目开展具有指导意义。检测统计表明，采用本方法施工的2座储罐承台裂缝宽度均小于0.2mm，满足规范要求。

关键词：大型储罐；承台砼；裂缝控制

引言：承台砼防裂是土建结构施工中的主要难题。承台砼在熟化过程中产生的水化热会使承台砼内部温度短时间内急剧升高，往往会导致承台砼产生裂纹、裂缝，严重时可能产生贯穿缝。尤其在热带地区，承台砼入模温度往往会高于规范规定的上限，使承台砼早期热裂的可能性更大。在中国海油南方某已建LNG储罐施工过程中，通过突破承台砼配合比中水泥用量的下限以冲抵承台砼内部的热应力，结合科学的分析方法给承台砼内部增加抗裂钢筋实现防裂，此次尝试达到了预期目的。

    一、LNG储罐承台底板结构

（一）LNG储罐

该LNG全容储罐的底板直径82.72m、面积5374m2、承台砼用量6214m3。底板外圈区（3圈）由212根直径1.2m的钢筋承台砼灌注桩支承；中心区由216根直径1.2m的钢筋承台砼灌注桩支承，正交十字形布置。中心区底板厚1.1m，架空1.7m；外圈区底板厚1.3m，架空1.5m。承台底板承台砼浇筑采用分区跳仓法施工，按照1~5区的顺序依次进行。中心区承台砼用量990m3，外围四个区中每个区的承台砼用量均为1306m3。由于施工现场陆域形成时吹砂量有余量，故在施工组织设计阶段进行承台底板施工时就尝试使用砂胎模板工艺，其工艺安排。该工艺避免了常规钢支架模板费用，且砂胎模板具有天然的保温性能，因此有利于承台砼养护阶段的保温保湿，有利于减少温度裂缝。

（二）承台砼龄期

与新浇筑承台砼接触的旧承台砼，其龄期是影响承台砼裂缝产生的原因之一。用于分析的旧承台砼龄期是根据施工进度计划确定的，在充分考虑了承台砼材料熟化差异性的情况下，选择包括承台底板1、2、5区各一部分的典型区块作为分析对象。

    二、建模及研究对象设定

建模及研究的目的是基于自然环境、施工材料、施工工艺等因素提取参数，使用有限元软件对承台砼早期熟化过程中水化热产生的情况进行模拟热工分析，根据分析结果得出需采取的相应防裂措施。

    （一）研究对象设定

承台砼早期的热应力分析采用三维建模法，这里选取最具代表性、最不利条件下的底板1/4模型作为分析对象，所有影响承台砼绝热温升的因素都根据现场实际施工情况来设定。在参数设定时，将底板下面的承台砼灌注桩头和压实的回填砂（胎模）看作固定不动的整体。

    （二）有限元软件

承台砼早期的热应力分析所使用的有限元软件ANSYS能够模拟承台砼结构瞬态导热并进行应力分析，能够模拟承台砼在熟化过程中内部温度变化的情况、材料性能的温度依赖性和时间依赖性、承台砼浇筑中边界因素的变化和边界条件的变化以及裂缝的产生机理。

该配合比突破了规范JGJ55—2011《普通承台砼配合比设计规程》对C50承台砼的水泥最小用量规定的下限（330kg/m3）的要求，且通过增加矿粉和粉煤灰使胶凝材料总量超过了规范建议的上限（480kg/m3）。考量原因：第一，降低了承台砼的水化热总量，尽量使承台砼内部最高温度不超过80℃；第二，保证了承台砼的强度；第三，提高了承台砼水胶比，和易性更好，有利于泵送作业。

（三）混凝土龄期

与新浇筑混凝土接触的旧混凝土，其龄期是影响混凝土裂缝产生的原因之一。用于分析的旧混凝土龄期是根据施工进度计划确定的，在充分考虑了混凝土材料熟化差异性的情况下，选择包括承台底板不同的浇灌区段各一部分的典型区块作为分析对象。

三、分析参数设定

（一）混凝土配合比

经反复试配并测温验证，最终按照一定的混凝土配合比进行作业，该配合比突破了规范JGJ 55—2011 《普通混凝土配合比设计规程》对C50 混凝土的水泥最小用量规定的下限（330 kg/m3） 的要求，且通过增加矿粉和粉煤灰使胶凝材料总量超过了规范建议的上限（480 kg/m3）。考量原因：第一，降低了混凝土的水化热总量，尽量使混凝土内部最高温度不超过80 ℃；第二，保证了混凝土的强度；第三，提高了混凝土水胶比，和易性更好，有利于泵送作业。

（二）材料性能

根据承台底板所用混凝土原材料检测结果分析得到的混凝土物理力学性能如抗压强度、抗拉强度、弹性模量等数据，通过数据的分析对比，对于底板混凝土的热学性能有一定的帮助。

（三）传热系数

有限元软件分析所用的热传递系数的输入值受不同部位和不同条件的影响，在实际控制过程中应该加以注意，对相应的参数做好设定。

（四）热应力分析

1区的热应力分析结果如图7所示：X和Y方向的热应力小于承台砼抗拉强度（2.64MPa），仅需正常养护，无需采取其他措施。2区的热应力分析结果如图8所示：X方向沿旧施工缝处的热应力超过了承台砼的抗拉强度，Y方向的热应力小于承台砼的抗拉强度。5区的热应力分析：在旧施工缝附近沿X方向，承台砼内部产生的热应力超过了承台砼的抗拉强度（局部5MPa）；与2区相接的施工缝附近沿Y方向，承台砼内部产生的热应力也超过了承台砼的抗拉强度。Z轴：承台底板满布了准16@450的拉结筋，且在抗热裂钢筋排距225mm的范围内增加了准16@450的拉结筋。Z轴的任意区域拉结筋横截面积均与X、Y轴在同一区域纵截面面积相同，故无需重复计算。综上分析，承台砼内部因绝热温升而引起的拉应力超过承台砼自身抗拉强度的区域主要分布在：第一，后浇筑的2~5区内与邻近1区旧施工缝平行的6500mm范围内；第二，4、5区内与2、3区旧承台砼施工缝平行的5200mm范围内。

抗热裂钢筋数量计算2区X方向、5区X和Y方向早期抗热裂钢筋的数量计算分别见图11~13。计算时，钢筋的允许最大拉应力保守取值100MPa。

三、承台砼浇筑施工控制措施

在进行大体积砼在施工时，因为砼中水泥独特的性能，会在水化作用的情况下发生放热反应，再加上大体积砼本身自带的保温性能，所以会导致砼的内部升温非常迅速，等到砼升温达到峰值之后，就会进入到降温过程中，在这个降温过程中，因为砼内部的特性，导致其降温速度明显慢于砼的表层，降温时砼内外部不断受到热胀冷缩的影响，加上内外部的约束作用使得砼本身产生的应力变得非常复杂，如果温度变化情况超过了砼所能承受最大范围时，就会导致砼出现裂缝的可能。为降低并防止相同的裂缝情况的发生，对于原材料在选择方面、制定合理的配合比方面以及施工技术措施方面等环节上必须做好完善的规划准备工作，这样才能保证大体积砼浇筑施工的顺利开展。

结语：施工完成后，经短期（14d）和长期（9个月）观察，储罐承台底板的上、下表面均未发现裂缝，达到了预期目的。因此，合理突破承台砼配合比中水泥用量下限的规定以降低水化热，并经有限元软件分析计算，在承台砼内部增加抗热裂缝钢筋，对控制大体量、承台砼在热带地区高温施工环境下有害裂缝的产生是有效的。

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