大型LNG储罐预应力水平孔道摩擦研究

大型LNG储罐预应力水平孔道摩擦研究

渠强1,丁宝芬2

1中海油石化工程有限公司，山东 济南 250000

2山东尚元工程科技有限公司，山东 临沂 276000

摘要：大型LNG储罐预应力墙体是储罐最主要的承力部分，外罐墙体的施工过程中预应力系统的施工是外罐施工的重点，摩擦系数的确认又是预应力系统施工的关键步骤。因此对大型LNG储罐预应力孔道进行摩擦试验来验证孔道摩擦损失是否符合要求，根据摩擦试验结果确定的摩擦系数计算钢绞线的理论伸长值，确保预应力墙体的施工质量。

关键词：LNG储罐；预应力；摩擦系数；伸长值

引言

在实际工程中对于大曲率预应力钢筋混凝土结构不能简单的按照《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010(2015版)（简称规范）规定的一般条件下的张锚工艺体系的摩擦损失数据作为张拉的依据[1]。大型LNG储罐预应力墙体摩擦系数应根据自身特点准确的确定摩擦损失数据。本文以国内某LNG储罐项目为例，对大型LNG储罐预应力孔道摩擦系数及其计算伸长量进行探讨希望能进一步提升预应力施工水平。

1预应力摩擦试验

1.1试验概况

本文以大型LNG预应力钢筋混凝土储罐为对象进行研究，16万m3的储罐外罐墙体变径墙厚为600mm~800mm，内径82.000m，墙体混凝土强度等级，整个墙体分为10层浇筑。外罐墙体孔道的成孔方式采用的是预埋金属波纹管。通过摩擦试验确定本工程的水平预应力孔道摩擦系数，摩擦试验选择的水平预应力孔道应该根据张拉顺序选择最先张拉的预应力孔道进行摩擦试验。因此本次试验选取下环梁的一对水平预应力孔道77A/B。

1.2试验方法及过程

1）试验原理：根据规范[2]对曲线弯道摩擦部分的规定，预应力筋与孔道壁之间预应力损失主要是的摩擦损失，它又是损失的重要组成部分。摩擦试验的原理概括为在水平孔道的两端分别装上穿心式千斤顶，通过装在孔道一端即主动端的千斤顶施加荷载测量传递到孔道另一端千斤顶即被动端千斤顶的荷载得到的比例。这个比例被称为损失系数，其主要是反映由摩擦引起的钢绞线和孔道之间的损失。根据上述的试验原理和计算模型[2]，可以计算出预应力管道的摩擦系数。

2）试验仪器：YCW500B型穿心式千斤顶、耐震压力表、液压泵(与千斤顶配套)、锚垫板、工作夹片、工具夹片、工具锚、马镫、钢直尺。

3）孔道摩擦损失试验步骤：

①穿束完毕后，安装锚具和夹片；然后将主动端和被动端千斤顶安装就位，连接好两端千斤顶的油路。

②安装千斤顶进油管处的耐震压力表，试验时主动端或被动端传来的压力由此读出数据。

③将主动端千斤顶空载拉出留30mm左右长度打紧夹片；在被动端，将夹片推入锚板的锥孔中，但无需敲紧，多次倒缸拉直钢绞线直到主动端千斤顶有读数，被动端的千斤顶增压到5Mpa；慢慢的泄压，直到活塞回缸大约1-2mm，这样夹片与锚板之间就会产生间隙，并且千斤顶的摩擦力传递到了主动端。

④将主动端千斤顶的荷载增加到10Mpa。这是张拉的基准压力，然后把伸长量测量装置安装到每个千斤顶上并且初始化，记录下被动端千斤顶的压力。

⑤连续的进行施压，每5Mpa为一个加载级别。当一端的压力达到Pw（0.95倍P0，P0张拉控制应力）的时候，在被动端最后读一次数。

⑥与主动端一样，对被动端的千斤顶进行加压以平衡两端压力表上的压力。然后把被动端的千斤顶加压到Pw。测量、记录对应每一级的伸长量。

1.3试验结果分析

根据锚具设备厂家提供检测报告可知，锚口、喇叭口损失为4.32%，通过试验得到考虑锚口、喇叭口损失修正后的摩擦试验数据并进行整理如下：

通过最小二乘原理，求的载荷传递系数的回归方程[3]如图1。77A被动端、主动端压力表读数的线型回归方程y=0.5374x+7.5567，应力传递系数为0.5374。77B被动端、主动端压力表读数的线型回归方程y=0.5219x+8.0034，应力传递系数为0.5219。

图1 回归方程

通过公式可以计算得出被动端和主动端的应力传递系数Pap/Paa，进而可求得摩擦系数μ。

77A水平预应力孔道摩擦系数μ=0.1323

77B水平预应力孔道摩擦系数μ=0.1417

由以上分析可以看出：1、水平预应力孔道摩擦系数由于受到施工质量、孔道弯曲程度等因素的影响与规范中给出的μ=0.25有一定的偏差，当使用孔道摩擦系数计算预应力的短期及长期损失、钢绞线的伸长值时设计应该以实际的孔道摩擦系数为依据；2、从LNG储罐实测的水平预应力孔道摩擦系数与规范的比较可以看出，随着施工质量的不断提高设计时孔道摩擦系数的取值可以稍微小一点。

2水平预应力孔道钢绞线伸长值计算

在预应力施工中张拉到Pw阶段时伸长量的范围应该在[0.95；1.05]，通过上述摩擦试验测的孔道摩擦系数μ取77A/B的平均值为0.137，κ取0.0015，根据试验结果计算水平预应力的计算伸长量。由于水平预应力孔道是中心对称结构，因此可取半边进行计算，预应力水平孔道的平面图如下图2：

图2 水平孔道的平面图

表1 水平孔道的分段

根据孔道的曲率的不同，计算的半侧分为L1、L2、L3、L4。因此可以计算各段伸长量：水平预应力孔道半边总伸长量ΔL=ΔL1+ΔL2+ΔL3+ΔL4=0.452452m，水平预应力孔道是中心对称结构，两端张拉伸长量相同，即总ΔL=904.904mm。

3结语

孔道的摩擦损失是大型LNG储罐预应力系统的主要损失。通过现场摩擦试验实测的摩擦系数和理论计算的预应力钢绞线的伸长量可以得出：对于大型LNG储罐来说，由于摩擦试验实测的摩擦系数与规范给定的摩擦系数有较大差别，因此大型LNG储罐水平预应力孔道摩擦系数试验必须通过现场试验得到。随着预应力施工技术的进步，预应力施工质量也在不断提高，在进行预应力系统的结构设计时孔道摩擦系数的取值可以小一点更符合现场的实际情况。

参考文献：

[1]陈月顺,刘莉.大曲率预应力筋孔道摩阻损失研究[J].建筑结构.2007（07）：116-117.

[2]王佳宇.大跨径PC连续刚构桥长弯束预应力摩阻损失及张拉方式研究[D].武汉工程大学.2017年.

[3]徐涛,周安,陈春雷.预应力混凝土结构孔道摩擦系数κ和μ值实测分析[J].工程与建设.2006(03):200-201,243.