一种混凝土外墙预应力系统的建立方法
【专利摘要】本发明涉及一种混凝土外墙预应力系统的建立方法，包括以下步骤：1)计算预应力系统初始施加的张拉控制预应力；2)分别计算环向水平预应力筋和竖向垂直预应力筋的预应力损失；3)分别计算环向水平预应力筋和竖向垂直预应力筋的有效预应力；4)分别计算环向水平预应力筋和竖向垂直预应力筋的数量，得到整个混凝土墙体预应力筋的布置范围；5)计算预应力系统中锚座的配筋面积；6)根据得到的环向水平预应力筋和竖向垂直预应力筋的数量，在混凝土墙体中进行布置；根据计算的防爆螺旋筋和普通钢筋的面积，对锚座进行工程配筋，完成混凝土外墙预应力系统的建立。本发明可以广泛应用于大型LNG全容储罐混凝土外墙预应力系统的建立中。
【专利说明】一种混凝土外墙预应力系统的建立方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种混凝土外墙预应力系统的建立方法，特别是关于一种适用于大型液化天然气全容储罐的混凝土外墙预应力系统的建立方法。
【背景技术】
[0002]天然气在常压下冷却至_162°C时，由气态转变为液态，即液化天然气(LNG)，液化天然气的体积约为同量气态天然气体积的1/600，密度约为480kg/m3。液化天然气无色、无味、无毒且无腐蚀性，泄露后可以直接蒸发。
[0003]储罐混凝土外墙预应力系统是储罐建造的重要组成部分，它的设计优化是储罐建造工作的重点和难点，现在很多城市都展开了陆上液化天然气接收站的建设，但是现有技术中对于大型液化天然气全容储罐混凝土外墙预应力系统的选型依据、预应力损失计算、水平预应力筋数量确定、竖向预应力筋数量确定、安全设计优化等关键问题的研究仍然还不是很清楚，没有完整的预应力结构计算方法，目前国内、国外的理论研究存在技术空白，因此迫切需要开发一种适用于大型液化天然气全容储罐混凝土外墙预应力系统的建立方法。
【发明内容】
[0004]针对上述问题，本发明的目的是提供一种结构安全、科学合理、工程造价低的适用于大型液化天然气全容储罐的混凝土外墙预应力系统的建立方法。
[0005]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:一种混凝土外墙预应力系统的建立方法，包括以下步骤:1)计算预应力系统初始施加的环向水平预应力筋和竖向垂直预应力筋的张拉控制预应力；2)分别计算环向水平预应力筋和竖向垂直预应力筋的预应力损失，包括张拉端锚座变形和预应力筋内缩引起的预应力损失，预应力筋与波纹管壁之间的摩擦引起的预应力损失，预应力筋的应力松弛引起的预应力损失，混凝土收缩、徐变引起的预应力损失；3)根据环向水平预应力筋和竖向垂直预应力筋的张拉控制预应力和预应力损失，计算环向水平预应力筋和竖向垂直预应力筋的有效预应力；4)根据环向水平预应力筋和竖向垂直预应力筋的有效预应力，利用SSE地震工况和完全泄露极端工况下得到的最大弯矩和最大拉力，沿混凝土墙体高度方向计算环向水平预应力筋的数量，沿混凝土墙体的环向方向计算竖向垂直预应力筋的数量，得到整个混凝土墙体预应力筋的布置范围；5)计算预应力系统中锚座的配筋面积，包括普通钢筋和防爆螺旋筋的面积；6)根据计算得到的每米范围的环向水平预应力筋和竖向垂直预应力筋的数量，在混凝土墙体中进行布置；根据计算的防爆螺旋筋和普通钢筋的面积，对锚座进行工程配筋，完成整个大型LNG全容储罐混凝土外墙预应力系统的建立。
[0006]所述步骤2)中，所述各预应力损失的计算公式为:
[0007]①环向水平预应力筋引起的张拉端锚具变形和预应力筋内缩预应力损失σ u为:
[0008]σιι = 2(J“J,+ k、(A _ T、)，
1 c、f
[0009]其中，σ _为张拉控制预应力，lf为环向水平波纹管长度，rc为环向水平预应力筋的曲率半径，μ为预应力筋与波纹管壁之间的摩擦系数；k为波纹管每米长度局部偏差的摩擦系数；x为张拉端至混凝土墙体横截面的距离，取为2r。；
[0010]竖向垂直预应力筋引起的张拉端锚具变形和预应力筋内缩预应力损失11:
[0011]σ'η =JESf
[0012]其中，a为张拉端锚具变形和预应力内缩值，1为张拉端至锚固端之间的距离，匕为预应力筋弹性模量；
[0013]②环向水平预应力筋与波纹管壁之间的摩擦引起的预应力损失σ 12为:
[0014]CTn=aco?(l — i^)，
[0015]其中，e为底数，为角度；
[0016]竖向垂直预应力筋与竖向垂直波纹管壁之间的摩擦引起的预应力损失。丨12为:
1
[0017]σ',2 ^σιοη{\ )
e
[0018]③环向水平预应力筋和竖向垂直预应力筋的应力松弛引起的预应力损失σ13相同，且σ 13为:
[0019]σβ=0.2(>-0.575)σ_，
J ptk
[0020]其中，fptk为预应力筋极限强度标准值；
[0021]④混凝十收缩、徐变引起的预应力损失σ14:
5^ + 300^
[0022]? _ Jcu ,
σ?Α — ；7Ζ
1 + \5p
[0023]其中，σρ。为受拉区预应力筋合力点处的混凝土法向压应力，f'为施加预应力时的混凝土立方体抗压强度，P为混凝土墙体截面配筋率。
[0024]所述步骤4)中，环向水平预应力筋沿高度方向的数量^:
,v M- f\AXh-2a:)
[0025]ηι =-— +-1~,
cr Α σ A (h — 2a )
pe Ppe p、p-7
[0026]其中，σ 是环向水平预应力筋的有效预应力，fy为普通钢筋抗拉强度设计值，as为外侧普通钢筋至混凝土墙体外表面的距离，a,为预应力钢筋至混凝土墙体外表面的距离，As为锚座中普通钢筋面积，Ap为单束预应力筋面积，Μ和N分别是安全停运地震和100%水平+30%竖向向上工况或极端泄漏工况下的最大弯矩和最大拉力，h为混凝土外墙壁厚；
[0027]竖向垂直预应力筋沿环向方向的数量n2:
N- f'As
[0028]?2 = ~，
σ peAp
[0029]其中，σ ' %是竖向垂直预应力筋的有效预应力。
[0030]所述步骤5)中，普通钢筋的面积As的计算公式为:
max( F.)
[0031 ] As = 0.04 x-—,
σ
[0032]其中，F」。是预应力筋初始拉力荷载，σ s是普通钢筋屈服强度；
[0033]防爆螺旋筋的面积Ab的计算公式为:
Γmax(F.)]
[0034]Ab = max\ maxi15χ-—卜，
LJ
[0035]其中，AbJ为防爆螺旋筋所需最小截面积。
[0036]本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点:1、本发明由于针对大型液化天然气储罐混凝土外墙预应力这一特定的圆筒形结构形式，采用SSE地震工况和完全泄漏等极端工况下得到的最大弯矩Μ和最大拉力Ν的拉弯组合，通过拉弯应力计算预应力筋的数量和布置范围，计算细化到每米范围，在保证混凝土外墙安全性的条件下，相较于已有技术中均匀布置，预应力系统的设计更加的经济合理。2、本发明由于采用材料力学分析方法，得到了金属锚座普通钢筋和防爆钢筋的面积，相较于传统的计算方法，计算量更小，根据计算得到的防爆钢筋以及普通钢筋的面积对锚座进行工程配筋，实现了最优化合理安全的配筋结果。3、本发明由于确定了大型液化天然气全容储罐混凝土外墙预应力结构设计的全部内容，包括预应力系统中环向水平预应力筋和竖向垂直预应力筋的数量和布置范围，锚座的配筋等，保证了储罐结构的安全性，有效的降低了工程造价、节省了工期。本发明可以广泛应用于大型LNG全容储罐混凝土外墙预应力系统的设计中。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1是本发明中液化天然气全容储罐混凝土外墙截面示意图
[0038]图2是图1中锚座示意图
【具体实施方式】
[0039]下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0040]如图1、图2所示，本发明涉及的大型液化天然气(LNG)全容储罐混凝土外墙预应力系统(下简称预应力系统)包括混凝土外墙1，混凝土外墙1顶部设置有混凝土环梁2，混凝土环梁2 —侧设置有混凝土穹顶3。其中，混凝土外墙1内与混凝土环梁2内沿高度方向都间隔布置有若干环向水平波纹管4，每一环向水平波纹管4内穿设有环向水平预应力筋5。混凝土外墙1内沿周长方向间隔布置有若干竖向垂直波纹管6，每一竖向垂直波纹管6都穿过混凝土外墙1顶部的混凝土环梁2，并在每一竖向波纹管6内都穿设有竖向垂直预应力筋7。
[0041]每一竖向垂直预应力筋7两端分别设置有一锚座8,锚座8包括喇口入管80、垫板81、夹片82和锚板83。其中，喇叭管80 —端与竖向垂直波纹管6对接，喇叭管80内设置有防爆螺旋筋801，用于防止锚座8在张拉预应力下爆裂；喇叭管80内还布置有若干直线型的普通钢筋(图中未示出)，且普通钢筋沿喇叭管80轴线方向与防爆螺旋筋801绑扎在一起；喇叭管80上设置有若干灌浆孔802，用于预应力张拉后对喇叭管80的混凝土注浆。喇叭管80的另一端连接一垫板81，垫板81上设置有若干孔洞，使得竖向垂直预应力筋7由喇叭管80通过孔洞穿入垫板81 ;竖向垂直预应力筋7的端部由夹片82夹紧，夹片82与锚板83机械连接，且锚板83与垫板81直接接触连接，用于增大锚板83的受力面积。每一环向水平预应力筋5两端也设置有一锚座，其结构与竖向垂直预应力筋7两端设置的锚座8结构相同，在此不再赘述。
[0042]上述实施例中，环向水平预应力筋5和竖向垂直预应力筋7采用相同材料，比如可以采用低松弛钢绞线。
[0043]基于大型液化天然气(LNG)全容储罐混凝土外墙预应力系统，本发明提供一种混凝土外墙预应力系统的建立方法，对预应力系统的关键参数，包括环向水平预应力筋5的数量和布置范围、竖向垂直预应力筋7的数量和布置范围以及锚座8中普通钢筋和防爆螺旋筋801的配置进行设计，具体的，包括以下步骤:
[0044]1)计算预应力系统初始施加预应力筋的张拉控制预应力σ _，由于环向水平预应力筋5和竖向垂直预应力筋7采用材料相同，故两者的张拉控制预应力σ _相同，且:
[0045]σ con = 0.75fptk, (1)
[0046]其中，fptk为预应力筋极限强度标准值。
[0047]2)分别计算环向水平预应力筋5和竖向垂直预应力筋7的预应力损失；
[0048]由于预应力筋与波纹管及锚座间的摩擦、混凝土的收缩或徐变、预应力筋的变形及预应力筋的应力松弛等，初始施加的预应力系统会存在一定的预应力损失，且预应力损失包括张拉端锚座变形和预应力筋内缩引起的预应力损失，预应力筋与波纹管壁之间的摩擦引起的预应力损失，预应力筋的应力松弛引起的预应力损失，混凝土收缩、徐变引起的预应力损失四部分，具体的计算过程为:
[0049]①计算张拉端锚具变形和预应力筋内缩引起的预应力损失；
[0050]a、计算环向水平预应力筋5引起的张拉端锚具变形和预应力筋内缩预应力损失0 11 ；
[0051]大型LNG全容储罐混凝土外墙环向水平预应力筋5可以近似按圆弧形曲线预应力筋考虑，其预应力损失ο u为:
LIX
[0052]ση = 2a, J, (^7 + /^)(1 -—) ,(2)
^ cIf
[0053]其中，lf为环向水平波纹管4长度，r。为环向水平预应力筋5的曲率半径，μ为预应力筋与波纹管壁之间的摩擦系数；k为波纹管每米长度局部偏差的摩擦系数；x为张拉端至混凝土墙体横截面的距离，取为2r。。
[0054]其中，环向水平预应力筋5曲率半径r。为:
1
[0055]/; =-{D-h),(Μ )
[0056]其中，D为大型LNG全容储罐的罐径，h为混凝土外墙1壁厚。
[0057]环向水平波纹管4长度lf为:
I ~aE
[0058]L = 4 ---，(4)
7 \ ΙΟΟΟσ, --(////;) + /.-
[0059]其中，a为张拉端锚具变形和预应力内缩值，对于常用的夹片式锚具，其值可以取6 ；ES为预应力筋弹性模量。
[0060]b、计算竖向垂直预应力筋7引起的张拉端锚具变形和预应力筋内缩预应力损失0 ； 11 ；
[0061]大型LNG全容储罐混凝土外墙竖向垂直预应力筋7可按直线型预应力筋考虑，其预应力损失ο ' u为:
u
[0062]丨、=〒[、.，(5)
[0063]其中，1为张拉端至锚固端之间的距离，即竖向垂直预应力筋7的总长。
[0064]②计算预应力筋与波纹管壁之间的摩擦引起的预应力损失；
[0065]a、对于环向水平预应力筋5而言，张拉端至混凝土墙体横截面曲线波纹管各部分切线的夹角之和为η，故环向水平预应力筋5与环向水平波纹管4壁之间的摩擦引起的预应力损失σ 12为:
[0066]σ./2=σ[0?(1(6)
Θ
[0067]其中，e为底数，31为角度。
[0068]b、对于竖向垂直预应力筋7而言，张拉端至混凝土墙体横截面曲线波纹管各部分切线的夹角之和为0，故竖向垂直预应力筋7与竖向垂直波纹管6壁之间的摩擦弓|起的预应力损失σ ' 12为:
[0069]σ'η = 0-,,,,,(1 ^r)，(7)
e
[0070]③计算预应力筋的应力松弛引起的预应力损失；
[0071]由于环向水平预应力筋5和竖向垂直预应力筋7材料相同,故环向水平预应力筋5和竖向垂直预应力筋7的应力松弛引起的预应力损失σ13相同，且σ13为:
[0072]σ/3= 0.2(^-0.575)σΓθη ,(8)
J ptk
[0073]④计算混凝土收缩、徐变引起的预应力损失σ 14:
55 +300
[0074]fcu ,(9)
°/4 — 7-TT
1 + 15/)
[0075]式中，σρ。为受拉区预应力筋合力点处的混凝土法向压应力，f'为施加预应力时的混凝土立方体抗压强度，P为混凝土墙体截面配筋率，且P为:
[0076]p = (As+Ap)/A， (10)
[0077]式中，As为锚座中普通钢筋面积，Ap为单束预应力筋面积，常用的单束预应力钢筋为12根或19根钢绞线，A为混凝土墙体截面积。
[0078]⑤将步骤①?④中计算得到的各预应力损失相加，得到环向水平预应力筋5的总预应力损失σI为:
[0079]O1= σ η+ σ 12+ σ 13+ σ 14, ( σ χ ^ 80N/mm2) (11)
[0080]竖向垂直预应力筋7的总预应力损失σ ' 1为:
[0081]σ'工=σ ' η+ σ 1 12+ σ 13+ ο u, (ο 1 1 ^ 80N/mm2) (12)
[0082]3)根据张拉控制预应力、环向水平预应力筋5和竖向垂直预应力筋7的预应力损失，分别计算环向水平预应力筋5和竖向垂直预应力筋7的有效预应力；
[0083]①环向水平预应力筋5的有效预应力σ 为:
[0084]Ope = σ ^n-Q1, (13)
[0085]②竖向垂直预应力筋7的有效预应力σ ' pe为..
[0086]σ ' pe= σ con- σ ' ,, (14)
[0087]4)根据环向水平预应力筋5和竖向垂直预应力筋7的有效预应力，利用SSE地震工况和完全泄露等极端工况下得到的最大弯矩和最大拉力，沿混凝土墙体高度方向计算环向水平预应力筋5的数量，沿混凝土墙体的环向方向计算竖向垂直预应力筋7的数量，进而得到整个混凝土墙体预应力筋的布置范围。
[0088]本发明基于地震反应谱方法，应用SSE(安全停运地震)和OBE(操作基准地震)，利用SSE地震工况和完全泄露等极端工况下得到的最大弯矩和最大拉力，且最大弯矩和最大拉力沿墙体高度方向每米的值不同，本发明以Im为计算单位，采用最大弯矩和最大拉力计算预应力筋的数量，得到沿混凝土外墙高度方向预应力筋的布置范围。
[0089]环向水平预应力筋5沿高度方向的数量Ii1:
N M - fvAs{h - 2as)____
[0090]ηι =-— +-—,~~,(Ib)
σ Ap OpiAiXh-1ai,)
[0091]其中，fy为普通钢筋抗拉强度设计值，as为外侧普通钢筋至混凝土墙体外表面的距离，ap为预应力钢筋至混凝土墙体外表面的距离，最大弯矩M和最大拉力N分别是SSE(安全停运地震)和100%水平+30%竖向向上工况或极端泄漏工况下的数值。
[0092]竖向垂直预应力筋7沿环向方向的数量n2:
N-f A
[0093]?2 =~\ s',(16)
σ
[0094]5)计算预应力系统中锚座8的配筋面积，即普通钢筋和防爆螺旋筋801的面积。
[0095]①普通钢筋的面积As为:
max( Fi )
[0096]4 =0.04 X-— ,(17)
[0097]其中，F」。是预应力筋初始拉力荷载，σ s是普通钢筋屈服强度。
[0098]②防爆螺旋筋801的面积Ab为:
fmaxf；/7,.") 'I
[0099]Ab = max max(4")-().15x--- [ ,( 18)
LJ
[0100]其中，Abj为防爆螺旋筋801所需最小截面积，且Abj为:
i?
[0101]A,.=—^(19)
[0102]其中，Rj为防爆螺旋筋801的有效拉力荷载，且Rj为:
, β、
[0103]Rj = 0.25X 1--~ XFja,(20)
V ^AXA J
[0104]其中，B为垫板81的厚度，dAXA为垫板81的直径。
[0105]6)根据计算得到的每米范围的环向水平预应力筋5和竖向垂直预应力筋7的数量，在混凝土墙体中进行布置；根据计算的防爆螺旋筋801和普通钢筋的面积，对锚座8进行工程配筋，完成整个大型LNG全容储罐混凝土外墙预应力系统的建立。
[0106]上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
【权利要求】
1.一种混凝土外墙预应力系统的建立方法，包括以下步骤: 1)计算预应力系统初始施加的环向水平预应力筋和竖向垂直预应力筋的张拉控制预应力； 2)分别计算环向水平预应力筋和竖向垂直预应力筋的预应力损失，包括张拉端锚座变形和预应力筋内缩引起的预应力损失，预应力筋与波纹管壁之间的摩擦引起的预应力损失，预应力筋的应力松弛引起的预应力损失，混凝土收缩、徐变引起的预应力损失； 3)根据环向水平预应力筋和竖向垂直预应力筋的张拉控制预应力和预应力损失，计算环向水平预应力筋和竖向垂直预应力筋的有效预应力； 4)根据环向水平预应力筋和竖向垂直预应力筋的有效预应力，利用332地震工况和完全泄露极端工况下得到的最大弯矩和最大拉力，沿混凝土墙体高度方向计算环向水平预应力筋的数量，沿混凝土墙体的环向方向计算竖向垂直预应力筋的数量，得到整个混凝土墙体预应力筋的布置范围； 5)计算预应力系统中锚座的配筋面积，包括普通钢筋和防爆螺旋筋的面积； 6)根据计算得到的每米范围的环向水平预应力筋和竖向垂直预应力筋的数量，在混凝土墙体中进行布置；根据计算的防爆螺旋筋和普通钢筋的面积，对锚座进行工程配筋，完成整个大型全容储罐混凝土外墙预应力系统的建立。
2.如权利要求1所述的一种混凝土外墙预应力系统的建立方法，其特征在于:所述步骤2)中，所述各预应力损失的计算公式为: ①环向水平预应力筋引起的张拉端锚具变形和预应力筋内缩预应力损失0口为: ^/1 = 20(^ + ^)(1 -， 其中，0。。。为张拉控制预应力，^为环向水平波纹管长度，为环向水平预应力筋的曲率半径，9为预应力筋与波纹管壁之间的摩擦系数火为波纹管每米长度局部偏差的摩擦系数4为张拉端至混凝土墙体横截面的距离，取为21~。； 竖向垂直预应力筋引起的张拉端锚具变形和预应力筋内缩预应力损失0: 其中，3为张拉端锚具变形和预应力内缩值，1为张拉端至锚固端之间的距离，为预应力筋弹性模量； ②环向水平预应力筋与波纹管壁之间的摩擦引起的预应力损失012为: 其中，6为底数，X为角度； 竖向垂直预应力筋与竖向垂直波纹管壁之间的摩擦引起的预应力损失0 ’ 12为: 0"'/2~厂)；
6 ③环向水平预应力筋和竖向垂直预应力筋的应力松弛引起的预应力损失相同，且.0 13 为:
^3=0.2(^-0.575)^,,, 其中，为预应力筋极限强度标准值； ④混凝土收缩、徐变引起的预应力损失014:
.55 + 300 0 —— . 14 丨 + 15,, 其中，。为受拉区预应力筋合力点处的混凝土法向压应力，广。。为施加预应力时的混凝土立方体抗压强度，9为混凝土墙体截面配筋率。
3.如权利要求1所述的一种混凝土外墙预应力系统的建立方法，其特征在于:所述步骤4)中，环向水平预应力筋沿高度方向的数量111:
！\！ ^ '實'，八人“ — 2“、、二I， 其中，0 56是环向水平预应力筋的有效预应力，4为普通钢筋抗拉强度设计值，85为外侧普通钢筋至混凝土墙体外表面的距离，\为预应力钢筋至混凝土墙体外表面的距离，八3为锚座中普通钢筋面积，\为单束预应力筋面积，1和?分别是安全停运地震和100%水平+30%竖向向上工况或极端泄漏工况下的最大弯矩和最大拉力，卜为混凝土外墙壁厚； 竖向垂直预应力筋沿环向方向的数量％: ”2 =-；——，
IX V 其中，0是竖向垂直预应力筋的有效预应力。
4.如权利要求2所述的一种混凝土外墙预应力系统的建立方法，其特征在于:所述步骤4)中，环向水平预应力筋沿高度方向的数量111:
汉 ^ -/, =--1--；-， 其中，056是环向水平预应力筋的有效预应力，4为普通钢筋抗拉强度设计值，为外侧普通钢筋至混凝土墙体外表面的距离，\为预应力钢筋至混凝土墙体外表面的距离，八3为锚座中普通钢筋面积，\为单束预应力筋面积，1和?分别是安全停运地震和100%水平+30%竖向向上工况或极端泄漏工况下的最大弯矩和最大拉力，卜为混凝土外墙壁厚； 竖向垂直预应力筋沿环向方向的数量％: . 112 =-:——， 其中，0是竖向垂直预应力筋的有效预应力。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种混凝土外墙预应力系统的建立方法，其特征在于:所述步骤5)中，普通钢筋的面积八3的计算公式为:
) .4 =0.04^——
0~其中，匕。是预应力筋初始拉力荷载，0 3是普通钢筋屈服强度；防爆螺旋筋的面积总的计算公式为: \ ) I\ = 1顶X),().1 5 X-—卜， I^ )其中，总』为防爆螺旋筋所需最小截面积。
【文档编号】E04G21/12GK104314313SQ201410641911
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月6日 优先权日:2014年11月6日
【发明者】钟曦, 张超, 肖立, 彭延建, 黄欢 申请人:中国海洋石油总公司, 中海石油气电集团有限责任公司