大型儲(chǔ)罐的強(qiáng)度與剛度分析及設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、當(dāng)今石油資源緊缺，油價(jià)波動(dòng)頻繁，致使各國(guó)十分重視石油資源的戰(zhàn)略儲(chǔ)備。大型儲(chǔ)罐是目前石油大量存儲(chǔ)的理想設(shè)備，其中立式圓筒形儲(chǔ)罐是大型儲(chǔ)罐當(dāng)代最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式，并已有近百年的使用歷史。而由于立式圓筒形儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與載荷的多樣性，目前基于規(guī)范的該種儲(chǔ)罐的力學(xué)計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍有很多不足或不合理之處。本論文從強(qiáng)度、穩(wěn)定性與抗震性能等角度對(duì)大型儲(chǔ)罐的罐體與浮頂?shù)牧W(xué)性能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究，主要研究?jī)?nèi)容和得到的結(jié)論如下:
　　(1)關(guān)

2、于大型儲(chǔ)罐罐壁的設(shè)計(jì)定點(diǎn)法和變點(diǎn)法是大型儲(chǔ)罐罐壁設(shè)計(jì)的兩種經(jīng)典方法，此外，基于有限元分析的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在大型儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本論文采用上述三種方法對(duì)容積為1×105m3與2×105m3的兩臺(tái)大型儲(chǔ)罐進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明，定點(diǎn)法與變點(diǎn)法并不能很好考慮罐底及下層罐壁對(duì)上層罐壁的影響，而基于有限元分析的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種合理有效的設(shè)計(jì)方法。此外，本論文詳細(xì)分析了容積為2×105m3的大型儲(chǔ)罐罐體的基本變形形式與應(yīng)力

3、分布特點(diǎn)。大角焊縫區(qū)域存在結(jié)構(gòu)突變，應(yīng)力水平較高，最高應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)大角焊縫下沿，即焊縫與底板聯(lián)接位置。各層罐壁中第二層罐壁應(yīng)力水平最高。
　　(2)關(guān)于大型儲(chǔ)罐罐體的穩(wěn)定性抗風(fēng)圈與加強(qiáng)圈用于保證罐體在風(fēng)載荷作用下的剛度與穩(wěn)定性。本論文介紹了我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB50341與美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)API650中抗風(fēng)圈與加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方法與計(jì)算公式的推導(dǎo)過(guò)程。兩標(biāo)準(zhǔn)在風(fēng)載荷的環(huán)向分布與各部件間的相互加強(qiáng)兩方面仍不完善。本論文建立了抗風(fēng)圈與加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)

4、的三維流固耦合模型，在充分考慮各部件間相互作用的基礎(chǔ)上，模擬并得到了合理的風(fēng)載荷分布。通過(guò)該模型，本論文提出了基于最小鋼材消耗量的抗風(fēng)圈與加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)方法，并給出了抗風(fēng)圈與加強(qiáng)圈最小截面模量與最大未加強(qiáng)罐壁高度的計(jì)算公式。在本文所考慮的儲(chǔ)罐尺寸與載荷范圍內(nèi)，對(duì)于同一儲(chǔ)罐，按該方法設(shè)計(jì)的抗風(fēng)圈與加強(qiáng)圈鋼材消耗量通常不超過(guò)按API650設(shè)計(jì)的抗風(fēng)圈與加強(qiáng)圈鋼材消耗量的35％。
　　(3)關(guān)于大型儲(chǔ)罐雙盤(pán)浮頂?shù)脑O(shè)計(jì)本論文介紹了大型儲(chǔ)罐雙

5、盤(pán)浮頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)、常見(jiàn)的載荷與破壞形式。針對(duì)多種載荷共同作用可能出現(xiàn)載荷重新分布的現(xiàn)象，本論文以“雪載荷+泄露載荷”與“雨載荷+泄露載荷”兩種工況為例，提出了各種工況中載荷的計(jì)算方法。對(duì)于浮項(xiàng)的強(qiáng)度與穩(wěn)定性分析，子模型法與等效結(jié)構(gòu)替代法是兩種常見(jiàn)方法，但這兩種方法均需建立浮頂?shù)恼w模型，簡(jiǎn)化效果有限。本論文根據(jù)雙盤(pán)浮頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)與載荷特點(diǎn)提出了最小區(qū)域分析法，并通過(guò)該方法得到了浮項(xiàng)的極限載荷與臨界載荷。該方法無(wú)需建立浮頂?shù)恼w模型，操作方便

6、，能有效降低有限元模型的規(guī)模，提高計(jì)算效率，并能得到相對(duì)保守的結(jié)果。
　　(4)關(guān)于大型儲(chǔ)罐罐體的抗震由于大型儲(chǔ)罐難以直接進(jìn)行地震試驗(yàn)，本論文根據(jù)大型儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立了其縮減結(jié)構(gòu)，并對(duì)縮減結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震試驗(yàn)和有限元分析。試驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果的比較證明了有限元模擬的有效性。通過(guò)有限元時(shí)程分析，本論文得到了三維地震載荷作用下大型儲(chǔ)罐的響應(yīng)特點(diǎn)。地震載荷產(chǎn)生的介質(zhì)水平慣性力與介質(zhì)波動(dòng)的沖擊力均能導(dǎo)致罐壁產(chǎn)生徑向變形，對(duì)于本文研究的儲(chǔ)罐尺