大型LNG储罐关键施工过程有限元模拟分析

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近年来,天然气在能源市场上展现出强劲势头,给天然气产业链带来的巨大的利益,然而LNG储罐是天然气产业链发展的限制因素,大型LNG储罐作为LNG接收终端,其用地规模大、建造费用高、设计周期长、建造复杂、技术要求高。因此,加强对LNG储罐的研究对推动我国LNG产业的发展具有十分重要的现实意义。大型全容式LNG储罐高度可达50m,直径多为82m,主要结构分承台、主容器(内罐)、次容器(外罐)和穹顶等。施工过程中水泥水化作用引起的早期温度裂缝,会影响储罐使用的耐久性,甚至使底板或罐壁混凝土出现贯通的裂缝,严重影响后期的使用。除此之外,穹顶混凝土浇筑过程中施加气压过大同样会使混凝土开裂。因此,对混凝土外罐和承台进行水化热等温度场的模拟和力学验算分析、混凝土穹顶浇筑过程的力学分析很有必要。本文借助于通用有限元软件ANSYS,对大型LNG储罐混凝土浇筑过程中的不同部位进行分析,主要工作如下:1.收集国内外关于水泥水化热及LNG储罐施工文献,了解国内外发展现状及施工新技术;2.分别针对底板建立了三维模型、针对罐壁建立了二维轴对称模型,对其进行了热—结构耦合有限元模拟分析;针对穹顶建立了1/4模型,对其结构进行有限元模拟分析。通过分析,得到主要结论如下:1.底板混凝土浇筑顺序可分由外向内浇筑和由内向外浇筑两种方案。其上下表面均有出现开裂指数小于1的部分,需要额外配置钢筋防止裂缝开展。由外向内浇筑混凝土会使温度应力较小,且可以缩短施工工期,降低施工成本。2.罐壁混凝土浇筑过程中,第2层至第9层混凝土开裂指数均小于1,顶部环梁混凝土内外温差大于25℃,经验算罐壁和顶部环梁实际配筋率大于控制裂缝宽度所需的配筋率,因此不需要额外配置钢筋。3.穹顶混凝土浇筑期间施加恒定的气压会使施工初期穹顶混凝土的开裂指数小于1,且施工初期穹顶向上的位移较大,施工末期穹顶向下的位移较大,因此应根据不同的施工阶段施加不同的气压。
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