大型非锚固储油罐应力分析与抗震研究

论文摘要

大型非锚固储油罐是国家战略石油储备库的关键设备之一,其发展趋势是大型化,这类设备一旦发生事故后果不堪设想。本文以国内新建的容积达15×104m3的储油罐为研究对象,在现场应力实测的基础上,采用力学建模分析和有限元数值模拟等手段,对其开展静强度分析及抗震研究。本文主要的研究内容如下: 对大型非锚固储油罐壁板应力的计算,提出了一种长-短圆柱壳组合解析模型计算新方法。该方法将第1圈壁板视为短圆柱壳,其它各圈壁板视为长圆柱壳,罐底板则采用刚性—弹性地基梁耦合模型,通过联合求解获得油罐壁板与底板的应力计算公式。研究表明,采用新方法算得的理论值与应力实测值十分接近,且计算过程简单,适合工程应用。 配合国内新建成的首台15×104m3浮顶油罐的充水试验,对油罐的壁板及底板应力进行了现场测试。测试采取了各种技术保护措施,获取了大量真实可靠的实测数据,证明用电阻应变测量技术在现场对大型油罐进行应力测试是完全可行的。 为解决目前大型非锚固储油罐结构有限元分析建模过程中地基基床系数的不确定性带来的困难,提出一种处理地基与罐底板间接触问题的新模型,即将油罐钢筋混凝土环梁与罐底弹性地基沉降量的差值作为有限元建模的位移边界条件。新模型大大提高了罐底部应力计算的精度,计算结果为大型油罐的设计改进和安全性评估提供了可靠的依据。 采用三维有限元法计算大型油罐固液耦合系统的动力特性,研究了不同储液密度、不同液面深度对系统固有频率的影响。结果表明,储液密度越大油罐固液耦合振动固有频率越低,罐内液面越高固液耦合振动固有频率越低。 总结并改进了多种“象足”屈曲现象模拟分析的准静态方法,并创新性地提出了局部罐壁底部预提离工况下,非锚固罐“象足”屈曲的动力学建模方法。研究证实:罐壁竖直轴向压应力和由内压（静水和动水压力叠加）所产生的罐壁环向拉应力共同导致罐壁失稳,发生弹塑性屈曲变形;并且与目前国内外众多储罐抗震规范一致的是,罐壁的竖直轴向压应力是发生屈曲失稳的主导因素。

论文目录

• 1 绪论
• 1.1 本文研究背景
• 1.2 大型油罐的基本结构
• 1.3 大型油罐静强度研究进展
• 1.3.1 大型油罐应力分析进展
• 1.3.2 静载荷下大型油罐有限元分析技术进展
• 1.4 大型油罐抗震研究进展
• 1.4.1 锚固罐的抗震研究
• 1.4.2 非锚固罐的抗震研究
• 1.4.3 非锚固罐抗震研究中的非线性问题与方法
• 1.5 大型非锚固储油罐的设计方法简介
• 1.6 本文的主要研究内容
• 2 一种新的求解不等厚罐壁应力的组合壳理论
• 2.1 长圆柱壳法与短圆柱壳法简介
• 2.1.1 长圆柱壳法
• 2.1.2 短圆柱壳法
• 2.2 长短圆柱壳组合方法的提出
• 2.3 基于组合圆柱壳理论的壁板应力分析
• 2.4 底板理论应力分析
• 4m³油罐应力计算与比较'>2.5 15×10⁴m³油罐应力计算与比较
• 2.6 组合圆柱壳理论适用性验证
• 2.6.1 通用性验证
• 4m³罐壁应力分析比较'>2.6.2 10×10⁴m³罐壁应力分析比较
• 2.7 水位、地基对油罐应力分布的影响
• 2.7.1 不同水位对油罐应力的影
• 2.7.2 不同地基对油罐应力的影响
• 2.8 小结
• 4m³油罐应力测试及与理论计算值的比较'>3 15×10⁴m³油罐应力测试及与理论计算值的比较
• 3.1 测试方法及测试过程
• 3.1.1 测试仪器及调试
• 3.1.2 测试方案
• 3.1.3 测试过程
• 3.2 测点布置及防护要求
• 3.3 测试数据
• 3.3.1 外壁测试数据
• 3.3.2 底板测试数据
• 3.4 实测值与理论计算值的比较
• 3.5 小结
• 4 静载荷下大型油罐有限元分析的建模方法研究
• 4.1 常用的油罐有限元建模方法
• 4.1.1 轴对称及三维有限元法
• 4.1.2 关于大角焊缝的模拟
• 4.1.3 地基的常用建模方法
• 4.2 基于接触的移动边界简化建模
• 4.2.1 地基-底板接触建模
• 4.2.2 大角焊缝未焊透区接触建模
• 4.3 底板有限元分析结果、理论计算曲线及实测应力的比较
• 4.4 有限元建模方法修正
• 4.4.1 基于沉降量的有限元分析方法
• 4.4.2 计算结果比较
• 4.4.3 关于弹性砂地基厚度的讨论
• 4.5 基于沉降量的油罐有限元建模方法的应用展望
• 4.6 小结
• 5 油罐的动力特性分析
• 5.1 流固耦合基本概念
• 5.2 数值模拟验证
• 5.2.1 考题1——厚壁充液容器动力特性数值模拟及对比
• 5.2.2 考题2——薄壁充液容器动力特性数值模拟及对比
• 5.2.3 考题验证小结
• 5.3 锚固储罐与非锚固储罐的动力特性比较
• 4m³油罐模态分析计算'>5.4 15×10⁴m³油罐模态分析计算
• 5.5 储液水深对固有特性的影响
• 5.6 小结
• 6 大型油罐准静态象足现象的有限元数值模拟
• 6.1 基本概况
• 6.1.1 研究目标
• 6.1.2 载荷情况
• 6.2 有限元建模假设和关键参数
• 6.3 内压和均匀轴压共同作用下的象足屈曲
• 6.3.1 锚固罐研究
• 6.3.2 非锚固罐研究
• 6.4 动水压力模型作用下的象足屈曲
• 6.5 横向推力静载作用下的象足屈曲模拟
• 6.6 瞬态冲击过程下的象足现象
• 6.6.1 轴对称预提离模型
• 6.6.2 水平载荷作用下预提离模型
• 6.7 小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 攻读博士学位期间完成的部分研究成果