混凝土储油罐低温荷载模型试验
低温下LNG储罐混凝土外罐的静力性能分析
低温下LNG储罐混凝土外罐的静力性能分析翟希梅;高嵩;范峰【摘要】以160 000 m3液化天然气LNG储罐混凝土外罐为研究对象,借助ANSYS有限元,针对LNG低温液体发生泄漏时,在低温作用下的受力与变形性能展开模拟研究,获得了稳态对流换热条件下的温度场及其温度应力分布.采用热-固耦合分析方法,将低温液体作用下的混凝土外罐罐壁处的温度应力与其他静力荷载作用下的内力进行了不同工况下的内力组合,确定了结构的最不利内力包络图,并以此为依据对LNG储罐混凝土外罐罐壁进行了预应力钢筋的配筋计算与布置.研究结果表明:低温液体下产生的温度应力使LNG储罐混凝土外罐发生整体向内收缩变形的趋势;罐内液体压力对结构内力及变形起主导作用;满液位泄露时LNG储罐混凝土外罐的薄弱部位位于距底板约10 m高度处.【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》【年(卷),期】2014(046)004【总页数】6页(P7-12)【关键词】LNG储罐;温度场;泄露;低温;有限元分析【作者】翟希梅;高嵩;范峰【作者单位】哈尔滨工业大学土木工程学院,150090哈尔滨;哈尔滨工业大学土木工程学院,150090哈尔滨;哈尔滨工业大学土木工程学院,150090哈尔滨【正文语种】中文【中图分类】TU378.7液化天然气LNG（liquefied natural gas）储罐一旦发生低温液体泄漏，将带来巨大的财产损失及环境危害，因此，针对内罐发生泄漏情况下，低温液体对LNG 储罐混凝土外罐受力与变形性能的的研究具有实际工程意义.目前，国内、外对于低温下LNG预应力储罐的研究尚处于起步阶段.苏娟等［1］对在泄漏工况下LNG预应力混凝土储罐的温度场进行了瞬态分析，得出了低温作用下，承台、罐顶与罐壁连接区域会产生较大负弯矩和轴力，提出了通过配置预应力钢筋、增大该处截面面积等方法以增大刚度和在结构底部设置热保护角的解决措施，但采用的是二维模型；张云峰等［2］采用附加质量法对内罐泄漏条件下的LNG储罐外罐进行了模态分析；王伟玲［3］将常温荷载作用下50 000 m3预应力混凝土储罐的力学性能和超低温作用下结构的力学性能，在不同工况下进行了比较分析，但其有限元模型将底板和桩全部简化，将混凝土外罐按固定约束进行简化.另外，上述文献中均未考虑环梁和扶壁柱对结构的受力影响.本文以160 000 m3LNG储罐混凝土外罐为研究对象，考虑内罐中低温液体泄漏情况下，LNG液体（-162℃）直接接触混凝土外罐，将对预应力混凝土外罐产生内力及变形的影响，主要研究内容包括:1）LNG混凝土外罐精细化有限元模型的建立；2）获得低温下混凝土外罐的温度场分布；3）确定罐壁厚度方向上随温度变化的材料本构关系，并进行不同工况组合下的结构内力分析；4）罐壁预应力钢筋的布置.1.1 工程概况本文以160 000 m3LNG储罐工程为研究对象，该储罐属于地上式全容罐，要求在-162℃的低温条件下储存LNG液体，并能承受23 000 Pa气压.储罐内直径82 m，外直径83.6 m，壁厚800 mm，内壁高度38.55 m，穹顶半径41 m，矢高10.98 m，穹顶厚度600 mm，底板厚度900 mm，半径44 m，基础为桩基础.环梁截面厚度1.05 m.沿罐壁每隔90°设置扶壁柱，扶壁柱截面尺寸4.4 m ×1.4m，LNG储罐混凝土外罐剖面见图1.储罐结构采用C40混凝土，钢筋布置采用普通钢筋与后张法有粘结预应力钢筋结合的形式.预应力筋采用270级钢绞线，强度1 860 N／mm2，直径15.2 mm，非预应力钢筋采用HRB400级普通钢筋.1.2 混凝土外罐模型的建立由于LNG罐壁混凝土外罐的高度及直径尺寸较大，厚度方向尺寸相对较小（0.8 m），因此本文选用壳单元进行分析，采用shell131作为热分析单元，shell181作为对应的结构分析单元.综合计算速度和精度，选取网格划分大小为竖向61段（每段为0.63 m），环向75段（每段为0.87 m），罐底和罐顶径向60段（每段为0.69 m），采用四边形划分方式.厚度方向上均分为八层.按照桩基础的实际位置，在底部桩位处施加了固定约束.由于静力作用下储罐结构和荷载具有对称性，为减少计算量及运算时间，本文取外罐的1／4进行建模，沿罐壁高度采用对称处理，以消除切向位移，有限元模型见图2.1.3 LNG罐壁厚度为考虑环向非预应力钢筋以及预应力孔道对混凝土储罐受力的影响，本文根据混凝土与钢筋变形协调原则，将实际罐壁截面进行等效换算:换算后的混凝土外罐壁厚为式中:B为换算后的混凝土储罐壁厚；h为混凝土外罐高度；b为换算前混凝土储罐的壁厚，为800 mm；ρ为环向非预应力钢筋配筋率；Es为非预应力钢筋弹性模量，取2.0×105MPa；Ec为混凝土的弹性模量，取3.25×104MPa；n为沿竖向1 m内平均的预应力预留孔洞个数；r为预应力钢筋预留孔洞半径，取100 mm. 由于沿罐壁高度方向，环向非预应力钢筋的配筋率及预应力钢筋的孔道数量不同，大致分为罐壁顶部、罐壁中部和罐壁底部3种情况，换算后的混凝土罐壁厚度见表1.表1结果显示，非预应力钢筋及孔道对LNG罐壁厚度影响很小，折算后的厚度变化范围在1.2%以内，因此，可忽略不计两者的影响，有限元建模时仍取罐壁厚度800 mm.本文中设定直接与储罐内壁接触的液体温度为-162℃，室外空气温度为40℃，忽略混凝土储罐与钢制内罐间保温层作用和由于换热引起的液体温度变化，即液体温度处于稳定状态，恒为-162℃，因此，有限元分析时，外罐内壁的环境温度设置为-162℃，储罐外壁的环境温度设置为40℃.本文边界条件为对流换热，空气对混凝土的对流换热系数取32.55 W／（m2·K）［4］，LNG对混凝土的对流换热系数取150 W／（m2·K）［5］，C40混凝土的导热系数取1.74 W／（m·K）.有限元获得的温度场结果见图3.图3表明，由罐内低温液体引起的结构温度变化，在罐壁、环梁、壁柱及底板厚度方向呈均匀、线性变化规律.但因底板外边缘上、下两面均接触空气，因此在厚度方向上未发生变化.3.1 混凝土的本构关系低温作用下混凝土的应力-应变本构关系将发生变化，本文采用不带下降段的多线性等向强化模型来定义［6-8］，即GB50010《混凝土结构设计规范》［9］建议的公式，上升段为二次抛物线，之后为一水平直线段，有限元计算时，取混凝土轴心抗压强度平均值fcm．3.2 随温度变化的材料参数的确定壳单元层结构示意见图4，本文采用的8层壳单元可提取17个位置的温度值，以壳单元每层中心位置处的温度值来表示整个层的温度.例如: layer 1层的温度值均视为TE2处的温度值.混凝土各项参数指标随温度和相对湿度变化很大，相对湿度50%下混凝土立方体抗压强度标准值和线膨胀系数随温度变化曲线见图5、6［10-12］.将图5、6数据代入文献［9］建议的本构关系表达式中，分别得到罐壁处、环梁及扶壁柱处的混凝土本构关系曲线，见图7，图中各温度点取值位置为壳单元分层后各层中心点处的温度值.3.3 温度应力作用下外罐的有限元分析获得结构温度场后，首先将有限元模型的shell131热单元转化为结构分析单元shell181，并读取热分析结果中的∗.rth文件，以获得单元温度载荷（温度应力）. 温度应力作用下，预应力LNG储罐混凝土外罐的变形图、位移云图和径向位移见图8～10，图中正值表示径向位移向罐外方向，负值为向罐内方向.由图8～10可知，低温液体泄露后，在温度应力作用下，罐壁整体向罐内方向，穹顶向下方向产生位移.由于罐底部底板对罐壁约束作用较强，此处径向位移较小；随着高度的增大，外壁罐壁及扶壁柱处的径向位移随之增大；罐壁处，10～35 m范围内径向位移数值基本相同；扶壁柱处的径向位移始终小于罐壁处位移，并在顶部两者达到各自径向位移的最大值，均为-1.01 mm.总体而言，环梁处位移较大，这是由于环梁沿厚度方向尺寸较罐壁大，其内外壁温差明显，从而产生了较大的变形.而扶壁柱虽然厚度方向尺寸大，所产生的温度应力大，但其刚度大的特性起主导因素，因此变形相对罐壁较小.温度应力作用下，预应力LNG储罐混凝土外罐罐壁的环向应力见图11.罐壁外表面在整个高度方向上均受压，底部压应力较小，中部压应力稳定在-2.30 MPa左右，罐壁顶部压应力最大，为-2.73 MPa.罐壁内表面应力曲线变化趋势与外表面相近，但环向应力除在罐顶部为压应力外，其他位置皆为受拉状态.罐顶最大压应力值为-0.52 MPa，最大拉应力出现在距罐底0.96 m处，为1.21 MPa.3.4 荷载组合作用下外罐的有限元分析顶部压力:在穹顶处存在均布竖向荷载，荷载值为1 200 N／m2；罐内气压:在罐内存在作用于罐壁（包括穹顶和罐壁），气压均匀，设计值为23000 Pa；罐内液压:液体密度ρ=480 kg／m3，满液泄漏液位为33.4 m.本文考虑了5种典型荷载工况的组合:工况1:重力作用工况2:重力+顶部荷载工况3:重力+顶部荷载+液压（满液状态）工况4:重力+顶部荷载+液压（满液状态）+气压工况5:重力+顶部荷载+液压（满液状态）+气压+温度应力各工况下罐壁的径向位移和罐壁内外两侧（外壁及内壁）的环向应力见图12，由于罐壁内外两侧的径向位移相等，因此图12中给出的各工况下径向位移皆为罐壁外侧处（外壁）结果.由图12（a）、（b）、（c）、（d）可知，工况1、2的径向位移与内外壁环向应力基本相同.作用于穹顶部的均布荷载相对结构自重很小，使径向位移及环向拉应力增大，最大径向位移及罐顶最大拉应力的增量仅占自重与顶部荷载共同作用下（即工况2）效应的6.7%（径向位移）及6.8%（环向拉应力）.因此，顶部荷载对罐壁的变形和径向位移的影响并不大.由于液压的存在，工况3的径向位移与环向应力曲线形状，与工况2发生了明显改变.由图12（e）可知，高度30 m以下的径向位移曲线与仅在液压作用时结果基本相同，说明变形主要由液压导致；33.4 m到罐顶处（38.55 m）由于不存在液体，因此径向位移逐渐增大，变形主要由穹顶的自重和顶部荷载控制.图12（f）中内、外壁环向应力变化趋势与图12（e）位移具有相似的结论.由图12（g）可知，与工况3相比，工况4由于罐内气压的存在，罐壁顶部附近（30 m）径向位移不再随高度增加而逐渐增大，而是一直均匀减小，这是由于罐内气压也同时作用于穹顶内壁，使穹顶产生向上位移，导致与其连接的罐壁顶部径向位移向内回缩所致.图12（h）显示，内、外壁应力变化趋势为沿储罐高度方向，先增大后减小，罐壁基本处于受拉状态.与工况3相比，外壁最大拉应力增大19%，内壁最大拉应力增大21%.由此可见，由于气压的存在导致罐壁径向位移与环向应力曲线形状及数值发生较大变化，气压对LNG储罐的作用不可忽略.由图12（i）可知，与工况4相比，考虑温度应力影响后，位移变化趋势基本没变，但整体发生了内缩，最大径向位移减小了2.77 mm，这是由于泄露的低温液体接触LNG储罐混凝土外罐，致使混凝土储罐内外壁温差极大，产生的温度应力，导致了外罐壁的整体内缩.由图12（j）可知，储罐外壁底部2 m范围内受压，然后转变为随高度增长而逐渐增加的拉应力，在8.7 m处达到最大环向拉应力（4.03 MPa），之后拉应力逐渐减小；内壁应力分布曲线形状与外壁类似，在10.6 m处出现最大拉应力7.08 MPa；与工况4相比，温度应力导致了外壁最大环向拉应力减小和内壁拉应力的增大.通过对上述5种工况下的LNG结构内力与位移对比可看出，液压相对于其他4种作用（自重、顶部压力、气压、温度），对径向位移与环向应力的曲线形状起主导作用；满液位泄露情况下，最大拉应力发生在10 m左右位置处；温度应力的存在导致外壁环向拉应力减小而内壁拉应力增大.设计中通过预应力钢筋的配置来避免罐壁内出现拉应力.文中LNG储罐设置有4个扶壁柱，供预应力筋后张锚固用.采用180℃两端张拉方式，相互在扶壁柱上交叉搭接，张拉端上下错开，有利于罐壁均匀受力.由于混凝土收缩徐变产生的预应力损失σl5与预应力钢筋和非预应力钢筋的配筋率有关，因此本文采用了对单位高度上预应力钢筋配筋量试算的方法:泄露液体作用下的LNG储罐混凝土外罐罐壁可简化为预应力（后张法施工）混凝土轴心受拉构件.首先假定预应力钢筋竖向间距为s，并计算σl5，由此，完成所有预应力损失后，单位高度范围内外罐罐壁的混凝土有效预压应力σpc为式中:σcon为张拉控制应力，取预应力钢筋极限强度标准值的75%，为1 395 MPa；σl为除σl5外的总的预应力损失值；σmax为每浇筑段的最大环向应力；Ap为单位高度范围内预应力钢筋面积；As为单位高度范围内非预应力钢筋面积；An单位高度范围内混凝土净截面面积．通过判断σmax与σpc的大小关系来确定预应力钢筋布置是否合适，若满足σpc≥σmax，即说明假定的预应力钢筋间距s合理，不然，则需重新假定预应力钢筋间距s．根据本文获得的不同工况下LNG混凝土外罐有限元的计算结果，可得5种工况下的内、外壁环向应力图，见图13.罐底至33 m左右，工况4在罐底至12 m高度范围内的外壁环向拉应力和工况5在12 m至33 m高度范围内的内壁环向拉应力较其他情况大，曲线各点是计算预应力钢筋的控制点，内力包络曲线在约10 m高度处达到环向拉应力最大值；33 m至罐顶位置，工况3内壁（标高33.7～36.6 m）和工况2外壁（36.6～38.55 m）处的环向拉应力曲线为包络图.根据图13提供的环向拉应力包络图各点拉应力值，计算出的各浇筑施工段的预应力钢筋用量及布置见表2.由表2可知，由于第三、第四浇筑段单位高度上罐壁的环向拉力最大，因此配筋量最大.随高度的上升，预应力配筋量随环向拉力的减小而减少，直到第十、十一浇筑段，环向拉力又有增大的趋势，从而导致预应力配筋量亦随之提高.1）建立了160 000 m3LNG储罐混凝土外罐的精细化有限元模型，通过合理的单元选择及划分、边界条件设置与材料本构关系选取，可实现LNG结构在低温作用下的热-固耦合分析.2）由内罐低温LNG液体泄露引起的混凝土外罐结构的温度场变化，在混凝土罐壁、环梁、壁柱及底板厚度方向呈均匀、线性变化规律，且温度应力使混凝土外罐整体产生向内收缩变形的趋势.3）作用于穹顶位置处的顶部荷载对结构的变形及罐壁环向应力影响很小，可忽略不计；液压相对于其他4种作用（自重、顶部荷载、气压、温度）对LNG外罐的内力及变形起主导作用.4）满液位泄露情况下，最大拉应力发生在10 m左右位置处；温度应力的存在导致LNG混凝土罐壁外表面环向拉应力减小，而内表面的环向拉应力增大.【相关文献】［1］苏娟，周美珍，魏会东.泄漏工况下大型LNG预应力混凝土储罐低温分析［J］.低温工程，2010，4:47-52.［2］张云峰，张彬，岳文彤.内罐泄漏条件下LNG混凝土储罐预应力外墙模态分析［J］.大庆石油学院学报，2008，32（6）:86-89.［3］王伟玲.大型LNG预应力储罐静力荷载下受力性能研究［D］.大庆:大庆石油学院，2009:4-6. ［4］刘文燕，黄鼎业，华毅杰.混凝土表面对流换热系数测试方法探讨［J］.四川建筑科学研究，2004，34（4）:87-89.［5］严平，曹伟武，钱尚源，等.新型LNG加热气化装置的结构设计及试验研究［J］.天然气工业，2011，31（6）:98-102.［6］江见鲸.钢筋混凝土结构非线性有限元分析［M］.西安:陕西科学技术出版社，1998:122-135. ［7］吕西林，金国芳.钢筋混凝土结构非线性有限元理论与应用［M］.上海:同济大学出版社，1997:149-156.［8］李围，叶裕明，刘春山，等.ANSYS土木工程应用实例［M］.2版.北京:中国水利水电出版社，2007:88-99.［9］GB50010混凝土结构设计规范［S］.北京:中华人民共和国住房和城乡建设部，2002. ［10］JEON S J，PARK E S.Toward a design of larger aboveground LNG tank［J］.LNG Journal，2005，15（12）:44.［11］EVERT M.LNG storage enclosed in prestressed concrete safety walls［J］.The Oil and Gas Journal，1979，5:117-120.［12］BEBERLY L.LNG storage tanks:concrete in an ultracold environment［J］.Concrete Construction，1983，28（6）:465-466.。
混凝土压力荷载试验方法
混凝土压力荷载试验方法一、前言混凝土结构的设计与施工中，需要对混凝土的力学性能进行检测，其中压力荷载试验是其中的一项重要的检测方式。
本文将详细介绍混凝土压力荷载试验方法，以帮助工程师和技术人员正确进行试验。
二、试验前准备1.试验设备：混凝土压力试验机、压力传感器、承载板、液压泵、液压油、计算机等。
2.试验材料：混凝土试块，大小为150mm×150mm×150mm，混凝土试块的配合比应符合设计要求。
3.试验环境：试验应在无风无震动的室内进行，室内温度应在20℃左右。
三、试验步骤1.试块制备：按照标准规定制备混凝土试块。
2.试块标记：将试块标记编号、试块尺寸等信息。
3.试块养护：试块应在湿润环境下养护28天，养护期间应保证试块表面湿润。
4.试块称重：用天平精确称重试块的质量。
5.试块表面处理：用砂纸将试块表面的凸起部分磨平，使得试块表面平整。
6.试块安装：将试块放置在承载板上，试块与承载板的接触面应平整。
7.试验参数设置：根据试验要求设置试验参数，如试验荷载速度、试验荷载范围等。
8.试验开始：启动液压泵，使试验机开始施加压力荷载，同时记录试验荷载和试验变形数据。
9.试验结束：当试验荷载达到规定范围或试块破坏时，停止试验，记录最大荷载和破坏荷载。
10.试块破坏后处理：将试块残留部分清理干净，保证下一次试验的准确性。
11.试验数据处理：将试验得到的数据进行整理、分析和计算，得出混凝土的力学性能指标，如抗压强度等。
四、试验结果分析1. 抗压强度计算：根据试验数据计算试块的抗压强度，公式为：f_c = P/A，其中f_c为试块抗压强度，P为最大荷载，A为试块面积。
2. 抗压强度评定：根据设计规范，对试块的抗压强度进行评定，判断混凝土的强度是否符合要求。
3. 试验数据统计：将试验数据进行统计分析，得出混凝土抗压强度的平均值、标准差等指标，以判断试块质量的稳定性和可靠性。
4. 试验结果应用：将试验结果应用于混凝土结构的设计、施工和维护中，以保证混凝土结构的使用安全性和可靠性。
大型固定式储油罐壁板静载荷下的有限元分析
大型固定式储油罐壁板静载荷下的有限元分析摘要：本文采用三维有限元法，使用ANSYS软件对某20000m3的固定式储油罐壁板在静载荷下的合应力及合位移进行了分析和模拟，对壁板应力与位移成因进行了简要分析，指出了储罐罐壁可能存在问题的重点部位，为设计、施工提供了参考。
关键词：大型储油罐、有限元方法、静载荷、应力分析引言目前大型储油罐罐壁大多采用多层不等厚壁板，在施工过程中容易发生应力集中和尺寸变形。
采用常规计算方式对其进行应力分析与强度校核，很难快速直观的得出结论。
特别是在施工及检验监理现场，对于油罐存在的应力和变形，大多数施工人员都只是简单的采用在经验公式或者简单的手工计算：不仅缺乏详细的有效数据，更谈不上进行快速的模拟与分析。
针对此类大型薄壳结构，国际上已经广泛的采用有限元法进行计算机辅助分析，本文所采用的ANSYS有限元分析软件，是一款已在工程领域大量应用的成熟软件。
1.1 油罐尺寸：罐底板外径Φ40000mm；罐内径39700mm；罐壁高度17452mm 罐顶高度23235.5mm罐壁板采用不等厚焊接：底圈6300×2000×182圈6300×2000×163圈6300×2000×144圈6300×2000×125圈6300×2000×106.7圈6300×2000×88.9圈6300×1800×8 材料16MnR焊条型号J5072.1油罐有限元模型将该油罐视为不等厚薄壳结构进行分析，考虑到油罐整体结构和载荷对称性，本文选取半个罐体进行分析，确保在不影响分析结果的前提下，减少运算量，提高分析效率，便于观察罐内及罐壁的分析结果。
罐体静载荷分析的有限元模型为：罐体及罐顶按照图纸施工，采用实体单元，总单元数为101296个，总节点数为178450个；设定分析条件时取无风、雪载荷载荷的理想条件；未考虑法兰、螺栓及焊缝等影响，未对爬梯、平台等辅助设备建模，罐壁与罐底T 形接头角焊缝视为固定约束（该处应力与变形本文未做分析）。
大型储油罐抗震研究通过技术鉴定
２ 需 要注 意的 几个 问题
１ ） 对管 理制 度体 系 的再认 识 。一 是 制度 是 为
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他雀缄 。
大型储油罐抗震研究通过技术鉴定
由中国石化工程建设有限公 司 、 哈尔滨工业大学和 中石化第十建设有限公司共 同完成 的大型储油罐抗震 研究近 日通 过中石化股份有限公司科技开发部组织的技术鉴定 ， 认为整体技术达到 了国际先进水平 。 本课题通过模型试验给 出了储油罐在抗震 设防烈度和罕遇地震烈度下 抗震 阻尼 比参数 分别为 ０ ． ０ ５和 ０ ． ０ ８ ， 为修订
储罐设计规范提 供 了依 据 。通 过模 型 罐振 动 台试 验 和有 限元 数 值 模拟 ， 验证了《 石 油化 工 钢 制设 备 抗 震设 计 规 范》
Ｇ Ｂ ５ ０ ７ ６ １ —２ ０ １ ２中的液面晃动波高计算 和罐 壁应 力计算 满足工 程设计要求 。 本课题形成 了大型储油罐抗震设计的成套技术 ， 在 阻尼 比和 白振周期计算上有所创 新 ， 填 补了 国内空 白 ， 为储油罐 的 抗震设计提供 了计算依据 。
幅和 内容 。
从 顶层 设 计 人 手 ， 围绕管理 业务 ， 通 过 系 统 化、 标 准化 、 信息化手段 ， 对 集 团公 司管 理 制 度 进 行 分层 级 、 有重点 、 多种形式重新构架 ， 建 立 简 约 高效 的制度 体 系 ， 相 信 一 定 能 为 集 团 实 现一 体 化
显 特征是 一项 管理 业务 或一 个 控 制 点 只在 一个 制 度 中规 范 ， 避 免 对 同一 业 务 在 不 同制 度 中分 别 表
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
低温环境下混凝土力学性能试验研究
18 〉〉2019年第2期 上海煤气低温环境下混凝土力学性能试验研究上海液化天然气有限责任公司 王 春 金 罕 施玉平摘要：以上海LNG 项目储罐扩建工程为背景，参考GB 51081—2015《低温环境混凝土应用技术规范》，将48个混凝土立方体试块和48个棱柱体试件分别在－40 ℃、－80 ℃、－120 ℃和－190 ℃下进行混凝土力学性能试验研究。
结果表明在低温环境下，混凝土抗压强度随着温度的降低而逐渐提高，热膨胀系数随着温度的降低而减小，且衡量其抗压强度时需考虑含水率的影响。
混凝土经历低温冻融循环试验后力学性能将大幅降低，因此对混凝土低温性能检测中应考虑其抗冻性能的影响。
关键词：混凝土 低温环境 热膨胀系数 抗压强度 含水率 冻融循环1 引言随着经济的快速发展，人们对环境保护提出了更高要求，天然气因其清洁高效的特点逐渐取代了煤炭等传统能源。
在这样的大背景下，LNG （Liquid Natural Gas ，液化天然气）储罐从2018年开始迎来又一个建设高峰期，超大型薄膜LNG 储罐和全混凝土LNG 储罐建设中对混凝土的低温性能提出了更高的要求。
大型LNG 储罐外壁全部采用预应力混凝土结构，当LNG 发生泄漏时，外罐将遭受低温所产生的温度荷载，因此需对LNG 储罐外罐所使用的混凝土进行超低温环境下的力学性能检测，以确保LNG 储罐在泄漏等意外事故发生时的安全性。
本试验研究以上海LNG 项目储罐扩建工程为背景，参考GB 51081—2015《低温环境混凝土应用技术规范》，对48个混凝土立方体试块和48个棱柱体试件进行低温下的混凝土性能测试。
根据魏强等人《超低温冻融循环对混凝土材料性能的影响》（2013年第s1期《工程力学》）、时旭东等人《低温-常温循环作用下混凝土力学性能试验研究》（2012年第7期《混凝土与水泥制品》）所述，混凝土在经历低温冻融循环后力学性能将大幅降低。
为保证混凝土在低温下的适用性，选用23个混凝土立方体试块进行抗冻性能测试，试验参考GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》。
混凝土抗冻实验报告
混凝土抗冻实验报告标题：混凝土抗冻实验报告一、实验目的：通过混凝土抗冻实验，研究混凝土的抗冻性能，了解各因素对混凝土抗冻性能的影响，为混凝土工程设计提供科学依据。
二、实验原理：混凝土在低温环境中易受到冻融循环的影响，从而导致其物理性能下降，进而引发混凝土结构的破坏。
因此，研究混凝土的抗冻性能十分重要。
本实验采用冻融试验的方法，通过观察混凝土试样在冻融循环中的变化，来评估混凝土的抗冻性能。
三、实验步骤：1. 准备混凝土试样：按照设计配制好的混凝土配合比，制备混凝土试样。
2. 制备试样：将混凝土倒入模具中，均匀振捣，确保混凝土密实无气孔。
3. 养护试样：将模具中的混凝土试样进行养护，以确保其获得足够的强度。
4. 进行冻融试验：将养护好的混凝土试样放入低温环境中，进行冻融循环试验。
每个循环包括一次冻结和一次解冻，循环次数根据需要进行多次。
5. 观察结果：每次循环后，观察混凝土试样的物理性质变化，如表面开裂情况、质量损失、强度下降等，并记录相关数据。
四、实验结果和分析：经过多次冻融循环试验，我们观察到以下现象：1. 表面开裂：混凝土试样在冻融循环中容易出现表面开裂的现象。
开裂程度与混凝土配合比以及试样的尺寸有关。
配合比较低和试样尺寸较大的试样开裂程度较为严重。
2. 质量损失：混凝土试样在冻融循环中存在质量损失。
质量损失主要体现在试样表面的剥落现象，这主要是因为冻融循环导致混凝土内部的膨胀和收缩。
3. 强度下降：经过多次冻融循环后，混凝土试样的抗压强度明显下降。
这是由于冻融循环导致试样内部的微裂纹和孔隙增加，破坏了混凝土的整体结构，降低了其抗压强度。
根据以上观察结果，我们得出以下结论：1. 混凝土的抗冻性能与配合比和试样尺寸密切相关。
合理的配合比和适当的试样尺寸有助于提高混凝土的抗冻性能。
2. 冻融循环导致混凝土表面的开裂和质量损失，对混凝土的物理性能造成不可逆的影响。
因此，在混凝土工程设计中应考虑到冻融循环的影响，采取相应的预防措施。
储罐温度作用的仿真分析
储罐温度作用的仿真分析郝进锋;高建华;刘桂德;李想;隋明【摘要】介绍了一座15万m3大型储罐的结构、材料及基本参数,运用有限元原理,借助数值仿真软件ADINA,对低温及重力共同作用下的储罐进行了应力分析,获得了储罐在不同温度作用下各层壁板的应力分布情况,并根据应力分析结果对储罐进行了强度校核.结果表明:储罐自重和温度共同作用下均符合强度条件,为储液罐的安全过冬提供了理论依据.%A 150000 m3 large tank structure, materials and basic parameters were introduced. Based on finite element theory, the wall stress distribution of tank under the action of low temperature and weight was obtained by the numerical simulation software ADINA, and the tank' s strength was checked according to the stress analysis results. The results showed that, tank under the action of low temperature and weight meet the requirements of strength, and it provides a theoretical basis for the safety of the liquid storage tanks in winter.【期刊名称】《低温建筑技术》【年(卷),期】2012(034)011【总页数】3页(P74-76)【关键词】储罐;应力分析;数值模拟;ADINA;温度作用【作者】郝进锋;高建华;刘桂德;李想;隋明【作者单位】东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆163318;黑龙江省防灾减灾及防护工程重点实验室,黑龙江大庆163318;东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆163318;东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆163318;东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆163318;四川工商职业技术学院,四川都江堰611800【正文语种】中文【中图分类】TU249.9位于大庆市某油库的一15万m3的双盘浮顶油罐，采用全钢结构，由大庆油田工程有限公司设计。
基于低温本构的ACLNG储罐受力分析
基于低温本构的ACLNG储罐受力分析徐宏英;李响;陈曦【摘要】混凝土材料的应用逐渐向超低温领域发展,应用的典型为全混凝土LNG 储罐.其混凝土主容器被-165℃的低温液体冻透至-161℃左右.本文采用混凝土在常温下与低温环境下的本构模型,利用ANSYS软件建立有限元模型,对ACLNG储罐进行预应力工况下的有限元分析,并且进行结果的比对.分析表明:采用低温本构得到的应力、位移与常温本构情况下的结果较为相近,但低温本构下分析的最大变形偏小,表明结构刚度增大;最大压应力稍大,在应力相近的情况下,混凝土的棱柱体抗压强度提高到1.5倍,说明低温下混凝土有很高的强度储备.采用混凝土低温特性进行LNG储罐结构设计,更接近于工程实际,并且可减少材料用量,缩短工期,优化LNG储罐建造市场.【期刊名称】《低温建筑技术》【年(卷),期】2015(037)012【总页数】3页(P63-65)【关键词】全混凝土LNG储罐;低温;混凝土本构模型;强度储备【作者】徐宏英;李响;陈曦【作者单位】新兴重工集团有限公司,北京100070;天津大学建筑工程学院土木工程系,天津300072;天津大学建筑工程学院土木工程系,天津300072【正文语种】中文【中图分类】TU398混凝土作为建筑业最广泛的材料，常应用于各种环境，近年来大量应用于低温领域。
在混凝土低温研究方面，国内外已经做了大量工作[1～8]，结果表明：混凝土在低温环境下的抗压强度、弹性模量、抗拉强度、峰值拉应变、导热系数、泊松比提高、钢筋与混凝土的粘结强度提高[1～6]，混凝土构件的承载力提高[7，8]。
LNG储罐由于LNG产业的蓬勃发展而得兴建，其中全混凝土LNG储罐的研究工作国内外[9～13]正在展开。
ACLNG储罐的内外罐为混凝土材料，其内罐存储温度为-165℃低温液体，结构形式如图1所示。
ACLNG储罐早在1969年就有建成并且一直服役至今，类似的低温全混凝土储罐早在1952[13]年就有建成，美国也已经有相应的设计规范。
大型非锚固原油储罐低温越冬应力分析
高 ２ ０ ２８ ０ｍｍ，共 ８圈壁板 ，其 中第 一至第 六 圈采 用 日本 进 口的 Ｓ Ｖ４ ｏ 钢 板 ，第 七 圈 壁 板 为 １ Ｐ ９Ｑ ６ Ｍｎ Ｒ，第 八 圈壁 板 为 Ｑ２ ５ ３ ～Ｂ，这 八 圈 板 高 自下
的冻土地 基 由于温 度变 化产 生 的不 均匀 沉降对 罐体
的影 响 ，根据计 算结 果对 储罐 的冬 季运 律 ，为大型 原油储罐 安 全 、可 靠越 冬提 供
了理 论 依 据 。
关键 词 ｉ原 油储 罐 ；地 基 ；接 触 单 元 ；
应 力 ；高寒地 区
２ ２
油 气 田地 面 工 程 第 ２ 卷 第 ７ ９ 期 （０ ０ ７ ２１． ）
ｄ ｉ１ ． ９ ９ ｊ ｉｓ ． ０ ６ ６ ９ ． ０ ０ ０ ． １ ｏ ： ０ ３ ６ ／ ．ｓｎ １ ０ — ８ ６ ２ １ ． ７ ０ ２
大 型非锚 固原油储 罐低温越冬应 力分析
郭 俊 杰 大庆油田 储运销售分公司
向 上 分 别 为 ２ ０、 ８ ２ Ｏ、 ８ ２ ０、 ８ ２ ０、 ８ ２ ０、 ８ ９ ９ ９ ９ ９
进 的厚 油层挖 潜措 施 ，具有 选择性 封堵 高渗 透带 和 高 含水层 ，扩 大波 及体 积和 提高驱 油效 率 的作 用 。 （ ）注氮 气 泡 沫 驱 油 时 ，最 佳 气 液 比在 １：１ ２
介 质对 于储罐 罐壁 及焊缝 的影 响 ，以及 含水 和含砂
间非线 性有 限元模 型 ，采 用罐 底 和地基 材料
接 触单 元的 方法 ，替代罐 底 和地基 材料 弹性 杆 单元 的方 法 ，模 拟罐底 和地 基材 料 的接 触 力。 以一 台新 建 １ ×１ ｍ。 ５ ０ 储罐 为 分 析 对 象 ，分析储 罐 内储存 不 同温度 原 油在冬 季越 冬 时 ，壁板 、开孔边 缘和 大脚 焊缝 应力 分布
LNG 项目混凝土在超低温环境下的降温试验研究
或 Ｃ ６ ０ ， 本文试验采用 Ｃ ６ ０ ， 试 验 配合 比如 表 １所 示 。
表 １ 混 凝 土 配 合 比设 计
Ｃ６ ０ ３ ４ ６ １ １ ３ ２ ４ ６ ６ ６ １ ０ ８ ６ １ ６ ５ １ ４ ４ ９ ７ ５ ｌ
３ 试 验方 案 设 计
究， 确 定 测 试 超 低 温 下 混凝 土抗 压 强 度 时 的 降 温 速 率 适 宜为 ２ ℃／ ｍｉ ｎ左 右 ， 不 适 合 直 接 将 试 件 放 入 液 氮 浸
泡； 降温 时 ， 虽然 试 件 中心 与 环 境 温 度 偏 差 大 ， 但 其 内部 温 度 梯 度 较 小 ， 由 此 产 生 的 温 度 应 力不 足 以 导 致 其
１ ６ ５ ℃， 储存条件要求 高 ， 而且一旦 泄露 ， 后 果 相 当 严
重 。ＬＮＧ储 罐 的外 罐 一 般 采 用 预 应 力 混 凝 土 结 构 ， 在 要求保证一定抗拉强度 的同时， 要 能 够 承 受 液 化 气 泄 漏 时 产 生 的压 力 ， 并 且 需 要 在 超 低 温 下 保 持 其 力 学 性 能 不 破 坏 ］ 。 目前 ， Ｌ ＮＧ 储 罐 项 目 的 核 心 技 术 仅 掌 握 在 少
细骨料 ： 天然细砂 ， 产地 ： 河 北廊坊 。硅灰 ： 采用 ￥ ９ ５级
图 １ 待 测 的 混 凝 土 试 件 及 温 度显 示
硅 灰 。粉 煤 灰 ： Ⅱ级 粉 煤 灰 ， 产地： 河 北 唐 山 。减 水 剂 ： 北京慕湖 ， 聚 羧 酸 粉 体 高 效 减 水 剂 。水 ： 自来 水 。
（ １ ． 中 国建 筑股份 有 限公 司技 术 中心 ， 北京 １ ０ １ ３ ０ ０ ； ２ ． 中国建 筑第二 工程局 有 限公 司 ，
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加载 液 体 间 保 持较 小 温差 。 当加 载液 体 温 度 出 现 波动 时 ． 内表 面 和 Ｂ处 的温 度 出 现 波 动 ，其 他 测
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１ ２
、
赠
嚣
１ ０ —蚶 ０
蝴
图４ 备 测 位 温 厦 变化 过 程 曲线
这 段时 间 ，罐 壁径 向内侧温 度梯度 很 大 ，外 侧温 度
梯 度 较 小 。９ ｎ时 ，温 度 沿 壁 厚基 本 呈 线 性 分 ０ｍｉ
触 ．为保证 测量 温度 值准 确 ，在罐 体 内外表 面 的测
温点 钻一个 很 浅稍微倾 斜 的小 洞 ．将测 温探 头 固定 在小 洞位 置 ，并 用胶 体封 堵住 洞 ．洞 口很浅 ，可 将 训
图３ 温 度 测 点 布 置
面
测 量 温度近 似认 为罐 内外 表面 温度 。
３ 试 验 过 程 及 结 果
行 ３ ０ｍｉ。１ ０ｍ ｎ时 ，模 型外 表 面有少 量凝结 水 ０ ｎ ５ ｉ 出现 。 由于模 型 部 分位 置 存 在小 裂 缝 ，液 体 外渗 ，
试 验前 ，将 加载 液体 冷 至一 ． 。试 验 开始 约 ７５℃
１ ｉ ，模 型试 件 内部 充 满低 温 加 载 液 体 ，之 后 ， ０ｍ ｎ
９１ ．９ １ ．４ ８０
２ ．８ ０６
— ．６ ４６
４．３ ４ １ ３ ２＿３
１ ．４ ６１
— ．Ｏ ５１
２Ｏ ．１ ８８ ＿９
１ ．４ ２８
— ．７ ５４
０４ ．７ ６５ ．４
１ ．Ｏ ０２
— ．９ ５６
— ．０ ０７ ４８ ．６
８２ ．３
试 验 结 束 时 ．在 试 件 ３ ０～４ ０ｍｌ高 度 范 围 内 ， ８ ５ ｉ ｌ 部 分 外 表 面潮 湿 。温 度 测 量 结 果 见 表 １ 其 中 Ｂ、 。 Ｃ 、Ｄ及 外 表面 的温度 取 同测位 两测 点 的平均值 。
时 间／ ｉ ｍｎ
加载 液体保 持温 度不 变 ．进入循 环状 态 ．试 验共进
测 位
Ｏ Ａ ２ ．７ １７ １ Ｏ — ．７ ３５ ２ ０ — ３ ７＿８ ３ ０ —． ７ Ｏ８ ６ ０ — ９ ７． ６
表 １ 温度 测 量 结 果 ℃
９ ０ － ＿９ ７８
１０ ２ — ．７ ７ ６
１Ｏ ５ － ．２ ７５
１Ｏ ８ －６９ ．４
１．０ ２４
ｌ－ １Ｏ ３
９６ ． ２
８２ ． ５
４ 结 果 分 析
位 的温 度 并 无 明显 的 异 常 变 化 。试 验 ２ ｎ时 ， ０ｍｉ 外 表 面 温度 开始 下 降 。各 测 位 对 低 温 荷 载 的反 应
随距 内表面距 离 的增 加而滞 后 。
４１ 试验 结果 分析 ．
各 测位 温度 变化 过 程见 图 ４．可知 ，模 型 内部 充入 低 温加 载液 体后 ，内壁 温度 迅 速 降低 。３ ｉ ０ｍ ｎ
时 ．内壁 与加 载液 体 的温 差缩 小 为 ４１ ．随后 与 ．℃
温 度 沿 壁 厚 分 布 曲线 如 图 ５所 示 。沿 壁 厚 温 度 分 布 具 有 明显 的 时 间性 。试 验前 各 测 点 温 度 基 本 相 同 ，为 室 内空 气温度 。１ ｉ ，内表面 降至 ０ｍ ｎ时
２０ ４ 一７ ６ ．０来自３０ ｏ —． ７７４
内表 面
日 Ｃ
Ｄ
２ ．４ ２１
２ ３ ２－Ｏ ２ ８ ２＿Ｏ
２ ．６ ２６
３９ ．ｌ
２１ ． Ｏ６ ２． ２７３
２ ．８ ２５
一 ．４ １ ４
１ ．２ ３２ ２ ．７ ０９
２ ．４ ２１
— ．ｌ ２９
阀
把 式 流 量 控 制 器
Ｊ
习 阀 液
冷军 Ｉ热 冻 电 ＼
冷 却 水 塔
一
水 式 冷 凝 器
ｌ ０ 巍阀 ０
低 温 试 验 装 置
冷却 水泵 ／
液 阀 过 滤 器 电 磁 阀 视镜 膨 胀 阀
图２
２２ 温 度 测 量 ．
试 验 布置 了 １ 测 点 （ 图 ３所示 ） ０个 如 ，分别 测 量模 型 内表 面 附近低 温 液体 Ａ、 内表 面 、距 内表 面
石
油
工
程
建
设
２ｏ ｏ ７年 ４月
加 ： ｍ ２
Ｏ
ｍ
３。 ０ ）罐 体 作 为有 限元 计 算 模 型 ，见 图 ６ ，热 单元
采用 Ｓ ＬＤ ０ Ｏ Ｉ ７ 。在 径 向上 ，增 加 的 ８ｍｍ厚 混 凝 土 划分 为 ２个 单 元 ，模 型壁 厚 方 向划分 为不 等 的 １ ３ 个 单元 ，内部单 元较 小 ，外 部 单元较 大 。模 型共有 ６６ ６ 节 点 ，５４ ０个单元 。 ５ 个 ０
－． ５５ ４
－ ６ ０．２ ３６１ ．
６６ ．２
— ．８ ５９
—２３ ＿１ １８ ．６
４－５ ３
—． ６Ｏ ２
一２９ ．７ Ｏ．６ ７
２＿ １ ８
外 表 面
２ ．８ ２ ５
２ ．９ ２２
２ ．４ ２４
２ ＿５ １８
１．２ ８ ９
１ ．４ ５８
１．７ ３８
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第 ３ ３卷 第 ２期
黄 达海 等 ：混凝 土储 油 罐 低 温 荷 载 模 型 试 验
保持温度为一 ．℃。模 型试 件上部用棉被保温 ，减少 ７ ５
非 径 向上 的热量 传递 。
２ 阀 １ 阀 ３ 阀 补液 阀
２ ｍ 处 Ｂ ５ｍ 处 Ｃ、６ ０ｍ 、４ ｍ ２ｍｍ处 Ｄ 和 外 表 面 ６
个测 位 的温度 ，其 中 Ｂ 、Ｃ 、Ｄ测 位 分 别 设 置 两 个 测点 。试验 选用 铂 电阻测 量温度 ．计算 机采 集记 录
各测 点温度 。罐 体 内外表 面直接 与 液体 或空 气相 接