浅谈低温储罐底环梁的计算方法

关键词：低温储罐；底环梁；抗弯计算；抗剪计算；热应力；裂缝控制

1 引言：

低温储罐作为液化天然气（LNG）、液氮等低温介质储存的核心设施，其结构的安全性和稳定性直接关系到能源存储效率与工业生产的连续性。随着全球能源结构的转型和清洁能源需求的增长，LNG 接收站及低温储罐的建设规模不断扩大，对储罐的结构设计提出了更高要求。低温储罐通常采用双层结构的全容罐，全容罐是由具有液密性、气密性的次容器与建立在次容器之中的主容器共同组成的联合体。其中，主容器为金属结构，用来存储低温 LNG、液氮等低温介质；次罐为金属结构或预应力钢筋混凝土结构，为低温介质的存储提供安全的内部操作环境，避免主容器遭受火灾、爆炸、飞行物冲击等外部灾难事件的破坏，并且在内罐液体泄露时防止液体泄漏到罐外。在低温储罐的复杂构造中，底环梁作为连接主容器罐壁与钢筋混凝土承台的关键过渡构件，承担着传递荷载、协调变形、保障整体稳定性的多重使命。其设计的合理性直接影响到储罐的安全性、耐久性和经济性。

1.1 底环梁的功能与重要性

底环梁是用来支撑内罐即主容器罐壁的环形低温混凝土构件，具体而言，底环梁的主要功能包括以下三个方面：荷载转换：在低温储罐中，底环梁设于主容器罐壁之下，支撑着沿主容器罐壁传递到保温材料的载荷，并将主容器罐壁线荷载转换为均匀的面荷载，这种转换保证了其下部保温材料均匀受压，避免罐底保温材料因局部应力集中而破损失效，从而将主容器罐体传来的载荷有效传递至钢筋混凝土承台上；结构稳定性：底环梁通过其刚度和强度，显著增强了储罐的整体性及稳定性，能够有效减少因地基不均匀沉降、地震作用等引起的结构变形。在地震或风荷载作用下，底环梁的稳定性对储罐的整体抗震性能至关重要；施工便利性：底环梁为主容器罐壁底部钢板提供了一个平整而坚实的操作界面，有利于主容器罐壁的校平与安裝，提高了低温罐的施工效率和质量。

1.2 研究背景与现状

近年来，随着 LNG 接收站及低温储罐建设规模的不断扩大，低温底环梁的设计面临更高要求。然而，国内相关规范尚不完善，设计多依赖欧洲标准（如EN 1992-1-1 和EN 14620）。因此，结合工程实践，探索科学合理的设计方法，对提高储罐的安全性、降低其建设成本具有重要意义。本文基于欧洲规范，系统介绍了低温底环梁的计算方法，包括其抗弯、抗剪、热应力及裂缝控制等关键内容，并通过实例验证了其可行性。为相关工程实践提供了参考。

2 底环梁的抗弯、抗剪计算

2.1 抗弯计算：

底环梁的抗弯计算是确保其承载能力的关键步骤。具体计算方法如下所示：取 1m 宽的低温底环梁作为计算单元，计算底环梁下部保温层的压应力，即45°受力区宽度范围内的压应力。

对底环梁的钢筋配置起控制作用的工况荷载，通常包括正常操作工况、水压试验工况、OBE 工况（操作基准地震）、SSE（安全停运地震）工况等四种工况，取其中的最不利工况进行计算。底环梁中的最大弯矩出现于其顶面竖向荷载作用的最外侧。因此保温层反应应力减去单元低温底环梁的自重应力可以得到最外侧弯矩。

根据欧洲规范EN 1992 和EN1462，设计极限状态条件下正常操作工况、水压试验工况、OBE 工况、SSE 工况的分项系数取值分别为1.5、1.2、1.5、1.0，由最外侧弯矩乘以荷载分项系数后得弯矩设计值，从而可求得底环梁径向所需钢筋数量。

根据 EN 1992-1-1 公式 9.1N

但不能小于 0.0013b.d 可求得防止脆性破坏的环向钢筋配筋面积。

考虑底环梁受力的特殊性，实际工程中通常采用顶面与底面相同的配筋方式。

2.2 环梁抗剪计算：

底环梁的抗剪计算主要用来验证其抗剪承载力是否满足要求：

同样选取 1m 宽的底环梁作为计算单元。根据EN 1992-1-1 规定，对于主要承受均匀分布荷载的构件，在距离支座的距离小于 d 时，不需要再验算抗剪承载力。抗剪钢筋应一直延伸至支座处。另外应确保支座处的剪力不超过 V_Rd，max 。根据低温罐中的底环梁的特殊性，其宽度通长满足不需要验算抗剪承载力的要求。

根据EN 1992-1-1，不要求设计抗剪钢筋的构件计算公式：

至少应满足：

以验证低温底环梁的尺寸是否满足抗剪要求。

3 热应力计算

在储罐冷却过程中，底环梁的内、外表面会因温度变化引起的温差而产生显著的热应力。底环梁热应力计算可采用 Roark 应力应变公式：

底环梁外表面拉应力计算公式：

底环梁内表面拉应力计算公式：

其中， γ 为混凝土的热膨胀系数， v 为泊松比，E 为混凝土的弹性模量， Δ T 为温差，b 为底环梁的外半径，c 为底环梁的内半径。

根据底环梁内、外半径所求得拉压应力，可进一步计算出钢筋所承受的拉应力，从而求得该温差范围内底环梁所需配置的钢筋数量。

4 裂缝控制

裂缝控制的目的是通过预防和限制混凝土结构中的裂缝产生与发展，从而提升结构的安全性、耐久性和使用功能。因此裂缝控制是底环梁设计中的重要内容。裂缝计算采用正常使用极限状态下的荷载组合。

根据 EN 1992-1-1 7.3.4 章，裂缝宽度计算公式如下所示：

其中， Sr，max 表示最大裂缝间距，

εsm 表示在相关荷载组合条件下的钢筋平均应变，包括强制变形作用以及拉伸变硬作用。只考虑超出同层混凝土零应变状态的其他拉应变，

εcm 表示裂缝间的混凝土平均应变。

根据EN 1992-1-1 表 7.1N 规定的暴露等级，低温环境下储罐底环梁的裂缝宽度限值通常为 0.3mm 。

通过合理的配置钢筋，把裂缝宽度控制在规范允许范围内。

5 计算实例

以某海边16 万立方低温储罐为例，主容器半径 R=40m ，产品密度 ρ_L=547 kg/m³ ；底环梁采用低温环境混凝土，混凝土等级采用 C50： f_ck，cube=50MPa ，f 40MPa ， f_ctm=3.5MPa ， Ec=35000Mp; a；钢筋采用低温钢筋： f_yk=500MPa ，Es Mpa；底环梁截面尺寸： W=900mm ， H=376mm ，底环梁内半径 b= 39565mm ，底环梁外半径 c=40330mm 。

将上述参数代入计算，得出承载力极限状态下最不利工况的最大弯矩值为77.6kN⋅m/m ，因此实际工程中底环梁径向配筋 DW16@200 满足所需的配筋面积要求。环向配筋 6DW16 满足每一面防止脆性破坏的最小配筋面积要求。将上述参数代入计算抗剪计算，求得最大设计剪力为 20KN/m ，无剪力钢筋构件的抗剪强度为 177.8KN/m 。因此底环梁的抗剪满足要求。

根据热应力计算，底环梁截面所需提供的钢筋面积为 441mm² ，因此上述配筋面积满足温差变化所需的配筋要求。根据裂缝宽度计算，可以求出裂缝宽度为0.17mm ，满足规范 ≤0.3mm 的要求。

6 结语：

低温储罐底环梁作为荷载传递的核心构件，其设计需兼顾理论严谨性与工程可行性。本文基于欧标规范提出的抗弯、抗剪、热应力及裂缝控制的计算方法，通过实例验证了配筋设计与构造措施的合理性。为低温储罐底环梁的设计提供了理论依据。然而，随着储罐大型化与极端环境的需求增加，未来的研究需重点关注以下方向：

1.多场耦合分析：综合考虑温度、地震、风荷载的动态相互作用；

2. 新材料应用：探索纤维增强混凝土（FRC）在低温环境下的性能；

3. 智能化监测：集成传感器实时监控底环梁应力与变形，实现预警维护。

通过持续优化设计与技术创新，低温储罐的安全性与经济性将进一步提升，为清洁能源储运提供坚实保障。

参考文献：

[1]BS EN 1992-1-1：2004， Design of concrete structures- part 1-1： general rulesand rules for buildings

[2]BS EN 14620：2006， “Design and manufacture of site built， vertical， cylindrical， flat-bottomed steel tanks for the storage of refrigerated， liquefied gases with operating temperatures between 0°C and- 165°C ”

[3]GB/T 26978-2021， 现场组装立式圆筒平底钢质低温液化气储罐的设计与建造