大型油罐的靜強(qiáng)度及動力相應(yīng)分析

1、大型油罐的靜強(qiáng)度及動力相應(yīng)分析    【摘要】從基礎(chǔ)必須適合上部結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)的要求出發(fā)，分析了大型油罐的結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)及其對基礎(chǔ)的要求。探討了大型油罐的靜強(qiáng)度及動力，提出了大型油罐基礎(chǔ)應(yīng)該具備的技術(shù)性能和構(gòu)造組成。 【關(guān)鍵詞】大型油罐；靜強(qiáng)度；動力；分析 眾所周知，油罐基礎(chǔ)是為上部罐體服務(wù)的，它必須適合于罐體結(jié)構(gòu)構(gòu)造的特點(diǎn)和要求。從這一基本原則出發(fā)，要想得到一個(gè)比較理想、安全可靠且經(jīng)濟(jì)合理的大罐基礎(chǔ)，就必須首先了解大型油罐罐體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和要求，以便結(jié)合具體工程條件（罐型、地質(zhì)、建材、環(huán)境、工藝要求等）進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。不顧及罐體結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)，只從基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)角度考

2、慮問題而完成的設(shè)計(jì)，不能算作好的設(shè)計(jì)。為此，下面首先介紹一下大型油罐的結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)。 1大型油罐的結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn) 大型油罐是一個(gè)盛有萬噸乃至10萬噸以上可燃油液的薄壁容器，它是鋼制立式筒形的，浮置在基礎(chǔ)頂面上。圖1是某10m3油罐的構(gòu)造示意圖，它主要由罐壁、底板和浮頂三部分構(gòu)成。罐直徑80m，高218m，由高強(qiáng)度鋼板焊接而成，罐壁壁板厚32512mm，罐底底板厚2l12mm。罐壁底部以上形焊縫與底板的環(huán)形板相焊接，罐壁上部以型鋼做成的抗風(fēng)圈加強(qiáng)。罐浮頂是用薄鋼板（45mm）焊成的盤型箱式密閉結(jié)構(gòu)，像船一樣浮于罐內(nèi)油液液面上，隨著油液液面的升降而起落。由于浮頂幾乎全部消除了罐內(nèi)的氣體空間，而且浮頂

3、與罐壁之間的環(huán)形縫隙用彈性密封裝置封嚴(yán)，從而大大減少了油品揮發(fā)損失，并增加了安全性。                                            

4、0;                                      圖1大型油罐構(gòu)造示意圖 現(xiàn)對大型油罐的結(jié)構(gòu)構(gòu)造分析如下，從而探求它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 （1）大型油罐是立式筒形鋼板焊接結(jié)構(gòu)，其高度及筒壁直徑都很大，但高度僅

5、為直徑的1/3左右，整體呈短粗圓筒狀；罐體鋼板厚度的最大值為325mm，與罐高或直徑相比，比值都很小，且筒壁上部開口不封頂，故罐體整體柔性大、易變形；它幾乎沒有調(diào)整基礎(chǔ)地基不均勻沉降的能力，反之，基礎(chǔ)地基各種形式的不均勻沉降，幾乎都會對罐體產(chǎn)生不同程度的影響 （2）罐壁的垂直柱面鋼板，與罐底板的大致水平面鋼板，在罐體下部正交焊接成一體，該部位是上形焊接結(jié)構(gòu)，在靜或動液壓力作用下，受力非常復(fù)雜且不明確。它不但受梭位升降的影響非常顯著，形成所謂低周高應(yīng)力狀態(tài)，而且對基礎(chǔ)地基的不均勻沉降和地震作用反應(yīng)極敏感，油罐的惡性事故大多由此而生。所以，此處是罐體的關(guān)鍵部位之一。 （3）罐壁垂直度或水平斷面圓度

6、的偏差，對浮頂在筒壁內(nèi)上下升降的靈活性有直接影響，偏差過大會使浮頂升降功能受阻。如果沒有發(fā)生地震，而且在罐體安裝精度符合規(guī)范要求的情況下，造成這一偏差的主要原因是基礎(chǔ)地基的不均勻沉降。 （4）大型油罐的底板是直接在基礎(chǔ)頂面上鋪設(shè)、排板施焊的，因而有兩個(gè)問題值得注意：其一，鋼板的焊接變形是不可避免的，由于底板面積很大，為多塊鋼板焊成，所以實(shí)際的底板在焊成后并非是一塊平整的薄板，而是充滿局部凹凸變形的大致平整的薄板。這些凹凸變形或局部鼓起，如果不能與下面的基床緊密貼合，將會在液柱壓力作用下，產(chǎn)生有害應(yīng)力或造成變形集中（皺折）。其二，底板下表面無法進(jìn)行防腐涂層旅工，只能從基礎(chǔ)構(gòu)造上設(shè)法改善底板的潮濕

7、易蝕環(huán)境。在這個(gè)問題上，基礎(chǔ)材料的化學(xué)性質(zhì)、地下水位與底板的距離、底板與場地地面的距離、建罐地區(qū)的氣候環(huán)境、地下水的侵蝕性等，都是設(shè)計(jì)中不可忽視的因素。 （5）罐體是鋼板焊接結(jié)構(gòu)，母材和焊縫存在脆性斷裂的危險(xiǎn)性；隨著罐體的大型化，罐壁鋼材厚度加大，選用的材料屈服極限增高，這二者都使得鋼材沖擊韌性下降，從而加劇了上述危險(xiǎn)性。另外，地基的不均勻沉降、地震作用、罐板腐蝕等因素，也可能誘發(fā)上述危險(xiǎn)的發(fā)生，事故先例已有多起。 （6）大型油罐對基礎(chǔ)地基的主要作用荷載是罐體及儲液自重，該作用荷載的特點(diǎn)是分布面積大、荷載強(qiáng)度大、對地基的影響深度大、一般地基因之產(chǎn)生的沉降量也較大。其中，不均勻沉降反過來會對罐體

8、受力狀態(tài)和使用功能產(chǎn)生不良影響。 2大型油罐基礎(chǔ)應(yīng)具備的技術(shù)性能 大型油罐基礎(chǔ)的主要功能是支持罐體。在罐體設(shè)計(jì)、建造和使用均屬正常的情況下，基礎(chǔ)對罐體可靠度起決定作用，基礎(chǔ)損壞失效所造成的嚴(yán)重后果是不堪設(shè)想的。鑒于此，罐體對基礎(chǔ)最基本的要求，是在結(jié)構(gòu)可靠度方面與它保持一致，或具更高水準(zhǔn)，即基礎(chǔ)必須具有足夠的安全性、適用性和耐久性。 21穩(wěn)定性 這包括兩個(gè)含義，一是將地基強(qiáng)度考慮在內(nèi)的基礎(chǔ)地基的整體穩(wěn)定性和罐壁正下方基礎(chǔ)地基的局部穩(wěn)定性；二是指基礎(chǔ)本身在靜力或地震作用下，本身不會酥碎、崩坍、滑移，而能支持罐體的能力。 22均勻性 鑒于大型油罐罐體的大柔性、易變形、易受基礎(chǔ)地基沉降變形影響，基礎(chǔ)必

9、須具有足夠的整體穩(wěn)定性、均勻性和足夠的平面抗彎剛度，以確保罐體的確定形狀和使用功能。這是指構(gòu)成基礎(chǔ)的材料及其強(qiáng)度剛度等物理力學(xué)性能，就支持罐體的部分而言，它應(yīng)是均勻的，即沿水平方向分布投有大的差異。 23平面抗彎剛度 鑒于罐壁正下方基礎(chǔ)地基的不均勻沉降，將對罐壁的圓度和垂直度、罐下部上形焊接節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜高應(yīng)力狀態(tài)造成惡劣影響，基礎(chǔ)構(gòu)造在此部位的剛度和強(qiáng)度應(yīng)予以加強(qiáng)。例如按照具體地質(zhì)狀況，利用鋼筋混凝土環(huán)墻或碎石環(huán)梁進(jìn)行加強(qiáng)等。這是指基礎(chǔ)作為一個(gè)整體，抵抗和調(diào)整地基不均勻沉降的能力。 24基床豎向抗力剛度（基床系數(shù)） 鑒于罐底板焊接變形的客觀存在，為防止在液柱壓力下造成變形集中或底板皺折，避免底板

10、母材或焊縫產(chǎn)生有害應(yīng)力，支持底板的基床應(yīng)富于柔性，以吸收焊接變形+使底板在上部垂直液壓作用下，緊密附著在基床上。為此，底板基床一般以砂石材料分層鋪筑壓實(shí)，其豎向抗力剛度系數(shù)（基床系數(shù)）一般控制在l00Ncm左右。若采用筏片式基礎(chǔ)（一般筏片混凝土板是支承于樁頂上的）亦應(yīng)在筏片混凝土板上面鋪設(shè)柔性砂石墊層（厚3050cm）。這是一個(gè)控制基床剛?cè)岢潭鹊亩恐笜?biāo)，是指基床在靜力作用下，豎向產(chǎn)生單位沉降需施加的壓力強(qiáng)度值。這一指標(biāo)，按照消防法的規(guī)定，對碎石環(huán)梁大于或等于200Ncm，對底板基床的砂石墊層大于或等于l00Ncm。 25防護(hù)性 鑒于油罐存在泄漏的危險(xiǎn)性，基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造對此應(yīng)該有所防范。如采用

11、不怕浸泡和沖刷的構(gòu)造，以在漏泄時(shí)，基礎(chǔ)仍能保持必要的支持力，確保罐體不致傾倒；采用隔油防水層，以防止底板精泄的油或污水流入地層，浸泡地基并污染地下水資源；設(shè)置漏油信號管，使底板漏泄的油液能從基礎(chǔ)中流出，以便檢查，發(fā)現(xiàn)泄漏可及時(shí)采取應(yīng)急措施。這包括對于腐蝕環(huán)境可能造成底板銹蝕，罐體萬一破裂可能對基礎(chǔ)地基產(chǎn)生沖刷、浸泡和環(huán)境污染等有所防護(hù)。 3靜強(qiáng)度及動力相應(yīng)分析 31模型的建立 雖然大型油罐結(jié)構(gòu)除底架部分橫梁外均為對稱結(jié)構(gòu)，但考慮到設(shè)備載荷的不對稱及轉(zhuǎn)向架牽引桿的“Z”字形布置，取整個(gè)大型油罐為離散對象，作為靜強(qiáng)度校核和模態(tài)計(jì)算的模型。大型油罐的底架是整個(gè)大型油罐的主要受力部件，大型油罐所承受的

12、縱向力和垂向力都通過底架傳到其他部分。為了較為準(zhǔn)確地了解底架的受力狀態(tài)，將整個(gè)底架全部用殼單元來模擬，同時(shí)在盡量減小工作量，但又不降低計(jì)算精度的前提下忽略了一些小筋板及小梁。司機(jī)室和側(cè)墻中設(shè)計(jì)意義上的梁用偏1、5梁單元來離散，側(cè)墻蒙皮及司機(jī)室蒙皮用殼單元來離散，采用了梁一梁、梁一板偏心連接，使其盡量接近實(shí)際的受力狀況。根據(jù)上述原則，整個(gè)計(jì)算模型共劃分10618個(gè)節(jié)點(diǎn)，13896個(gè)單元，其中梁單元2462個(gè)。梁單元截面特性28種，殼單元特性8種，計(jì)算模型重13400kg。 32許用應(yīng)力的確定 大型油罐垂直靜載工況下安全系數(shù)n：155，計(jì)算出垂直載荷工況下16Mn、09CuPCrNi的許用應(yīng)力為d

13、=221MPa。壓縮、起吊等工況下把略低于材料的屈服極限的值取為許用應(yīng)力，a=330MPa。 33計(jì)算工況及載荷 本次計(jì)算共選擇6種工況進(jìn)行加載計(jì)算，計(jì)算工況見表1。                              表1靜強(qiáng)度計(jì)算工況 注：為垂向載荷，291×13KN，按集中載荷計(jì)算的設(shè)備重量，作用

14、于對應(yīng)的粱上；為垂向載荷，3608×13KN，按均布載荷計(jì)算的設(shè)備及大型油罐重，作用于底架側(cè)梁上；為垂向載荷，t96KN，一個(gè)轉(zhuǎn)向架的重量，作用于起吊點(diǎn)；為縱向載荷，1960kN，作用于牽引梁的腹板（壓縮）；為縱向載荷，1530KN，作用于牽引粱的腹板（拉伸）；為縱向載荷，245KN，牽引力作用于牽引座及牽引梁腹板：為縱向載荷，294KN，作用于司機(jī)室前腰粱。 34計(jì)算結(jié)果 根據(jù)上述載荷工況，計(jì)算得到各載荷工況的最大應(yīng)力及其分布位置，靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果最大應(yīng)力位置最大位移11MlPa。 4結(jié)語 （1）用有限元方法分析大型油罐地基中的附加應(yīng)力是準(zhǔn)確可靠的。 （2）在大型油罐地基分析時(shí)，對于土層剛度變化較大的非均質(zhì)地基，應(yīng)根據(jù)土層情況，計(jì)算實(shí)際的附加