對大型儲罐鋼穹頂穩(wěn)定性相關(guān)內(nèi)容論述

莊俊

摘要：本文主要分析了大型儲罐鋼穹頂，重點介紹了穩(wěn)定性相關(guān)內(nèi)容，它不僅能夠充分發(fā)揮大型儲罐鋼穹頂?shù)姆€(wěn)定性，而且還可以有效提高大型儲罐鋼穹頂?shù)氖褂脡勖Ｍㄟ^對大型儲罐鋼穹頂穩(wěn)定性相關(guān)內(nèi)容進行分析，以期為大型儲罐鋼穹頂生產(chǎn)提供可靠的保障，創(chuàng)造出最大化的經(jīng)濟與社會效益。

關(guān)鍵詞：大型儲罐鋼穹頂;穩(wěn)定性

1.單層肋環(huán)型網(wǎng)殼穩(wěn)定性

對于單層肋環(huán)型網(wǎng)殼穩(wěn)定性的分析，是研究帶鋼板網(wǎng)殼的受力性能的重要前提，也是進一步探索得出帶鋼板網(wǎng)殼穩(wěn)定性的重要步驟。從單層肋環(huán)型網(wǎng)殼穩(wěn)定性的分析結(jié)果出發(fā)，探索其結(jié)果在額滿跨均布荷載中的基礎(chǔ)內(nèi)容;并結(jié)合針對網(wǎng)殼有限元模型中應(yīng)用功能的梁單元尺寸分析，在保持0.5m實踐數(shù)據(jù)下，得出肋環(huán)網(wǎng)殼的非線性分析結(jié)論，見圖1：

在圖1（a）中，其反映的是：處于網(wǎng)殼失穩(wěn)狀態(tài)下所發(fā)生的荷載-轉(zhuǎn)角位移曲線圖。其主要是包括了最大轉(zhuǎn)角位移節(jié)點和網(wǎng)殼失穩(wěn)的最大豎向位移節(jié)點等位置，并分析其產(chǎn)生的荷載-豎向位移值。通過對對比不同位置的荷載-轉(zhuǎn)角位移曲線圖以及圖1（b）失穩(wěn)后的轉(zhuǎn)角位移云圖可以發(fā)現(xiàn)：局部環(huán)梁的扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)是導(dǎo)致網(wǎng)殼失穩(wěn)的原因，并且其大多數(shù)會出現(xiàn)在網(wǎng)殼的環(huán)梁位置，其中第5、6、7圈最為集中。伴隨著失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生，第6圈的環(huán)梁位置中部分的環(huán)梁出現(xiàn)塑性應(yīng)變的結(jié)果，并向著塑性階段發(fā)展。這種情況下，網(wǎng)殼此時的穩(wěn)定承載力大致數(shù)據(jù)是2.71kN/m2。

一般而言，導(dǎo)致網(wǎng)殼失穩(wěn)的原因可以歸結(jié)為局部環(huán)梁的扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)現(xiàn)象。當(dāng)這種情況發(fā)生時是無法僅僅依靠荷載-位移數(shù)值來得出來初始缺陷形式的，必須要在其他諸如特征值屈曲分析的同時，才可能得出肋環(huán)網(wǎng)殼的初始缺陷形式。一般情況下都是通過分析最低階整體屈曲模態(tài)來研究其不同跨度下的過程缺陷最值。大部分所應(yīng)用的跨度為1/300、1/500以及1/1000等，其分別測出的網(wǎng)殼極限屈曲的承載力對應(yīng)為1.61kN/m2、1.90kN/m2、2.24kN/m2，如圖1（c）所示。

通過增大截面的方式，可以使失穩(wěn)模式轉(zhuǎn)化為局部區(qū)域凹陷，如圖2所示。大型儲罐鋼穹頂失穩(wěn)時，會導(dǎo)致網(wǎng)殼處于彈性階段，即所謂的彈性失穩(wěn)。通過對圖1（c）荷載-位移曲線進行分析可以發(fā)現(xiàn)，增大截面后穩(wěn)定承載力提升為3.1kN/m2，與之前相比提升了11.1%。實際上，在不同大小初始缺陷下，通過改變網(wǎng)殼截面后，可以使彈性失穩(wěn)轉(zhuǎn)化為彈塑性失穩(wěn)形式。此時，其穩(wěn)定承載力可以達到提高3.1-3.7%的效果;與此同時，截面增強后，所需鋼量增加了5.5%。

2.帶鋼板網(wǎng)殼的穩(wěn)定性

2.1確定初始缺陷

在研究帶鋼板網(wǎng)殼穩(wěn)定性的過程中，一般是利用一種被稱為“一致缺陷模態(tài)法”的技術(shù)來計算網(wǎng)殼的分枝平衡路徑。這種方法是以荷載-位移全過程的分析為基礎(chǔ)，結(jié)合不同狀態(tài)下兩個鄰近狀態(tài)的位移差作為結(jié)構(gòu)屈曲前、后臨界點的屈曲模態(tài)所反映的精確形式。同時，在這種屈曲模態(tài)下，還需要做到與初始缺陷形式的一致性。此后，在增量計算過程中，當(dāng)計算的累積誤差逐漸變大并積累到一定程度，就需要開始自動化的計算轉(zhuǎn)換，從分枝后的平衡路徑入手，計算步數(shù)以及相應(yīng)的自由度數(shù)。但是，伴隨著計算過程的持續(xù)推進，計算累積誤差也會隨之增加、

2.2非線性穩(wěn)定分析

在圖3中，主體部分為6mm鋼板厚度的網(wǎng)殼，其產(chǎn)生的非線性穩(wěn)定分析結(jié)果為1/7.5的矢跨比例。通過對圖3（a）、（b）進行分析發(fā)現(xiàn)，帶鋼板網(wǎng)殼失穩(wěn)狀態(tài)下，第5-8圈的環(huán)梁位置集中出現(xiàn)了局部凹陷的情況，并且在失穩(wěn)狀態(tài)下梁、板局部也呈現(xiàn)出一種塑性狀態(tài)，即所謂的彈塑性失穩(wěn)。圖3（c）所對應(yīng)的荷載-位移曲線圖是處于帶鋼板網(wǎng)殼上的最大節(jié)點豎向位移位置的數(shù)據(jù);此時在不考慮初始缺陷的情況下，網(wǎng)殼的極限承載力大致為34.41kN/m2。將其與純網(wǎng)殼對比，可以發(fā)現(xiàn)：鋼板網(wǎng)殼的極限承載力相較之前有明顯的幅度提升，并達到了11.70倍。在其與較純網(wǎng)殼進行比較時，如果大型儲罐鋼穹頂?shù)某跏既毕萑≈挡扇?/300、1/500以及1/1000的比例，那么鋼板網(wǎng)殼的極限承載力將有較大的變化，大致得到了7.76、8.78、9.87倍的提升。因此，通過蒙皮處理，可以有效提高大型儲罐鋼穹頂?shù)某休d力。隨著初始缺陷的增大，會導(dǎo)致網(wǎng)殼承載力不斷降低，當(dāng)初始缺陷的應(yīng)用比例為1/300時，其所導(dǎo)致的網(wǎng)殼極限承載力則是14.10N/m2。將其與無缺陷對比發(fā)現(xiàn)，降低了59.0%。實際上，只有梁構(gòu)件局部進入塑性時，對帶鋼板網(wǎng)殼進行蒙皮處理，才可以使其處于彈性階段。

3.單層球面鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

3.1提取初始缺陷

在進行鋼穹頂屈曲分析過程中，需要構(gòu)建最低階整體失穩(wěn)模態(tài)，其可以作為下一步整體穩(wěn)定分析過程中的初始缺陷。該過程中荷載一般選擇水平均布壓力1.2kPa，研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)屈曲模態(tài)屬于蒙皮板局部屈曲。為了進一步了解和掌握初始缺陷對單層球面鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定承載力所產(chǎn)生的影響，需要賦予結(jié)構(gòu)不同的初始缺陷，進而對其整體穩(wěn)定承載力進行計算。本次研究中，分別從1/300初始缺陷、2倍初始缺陷、3倍初始缺陷三個方面來進行分析，其所得到的計算結(jié)果如表1所示：

通過對表1進行分析可以得知，初始缺陷的大小將會對極限穩(wěn)定承載力產(chǎn)生比較大的影響，初始缺陷越大，所對應(yīng)的極限穩(wěn)定承載力越低。

1.2整體穩(wěn)定分析

在整體穩(wěn)定分析過程中，一般會選擇將屈曲分析階段所獲得最低整體失穩(wěn)模態(tài)作為初始缺陷，并根據(jù)最大位移放大至跨度70m的1/300，即所謂的0.23m作等比例進行放大。選擇ABAQUS內(nèi)置的弧長法來對單層球面鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性進行分析，其能夠有效捕捉荷載位移曲線中所出現(xiàn)的荷載下降段。

4.結(jié)束語

綜上所述，在進行大型儲罐鋼穹頂生產(chǎn)過程中，需要對其穩(wěn)定性相關(guān)內(nèi)容進行分析，這樣不僅可以確保大型儲罐鋼穹頂?shù)纳a(chǎn)質(zhì)量，而且還可以有效提高其使用壽命。

參考文獻：

[1]翟希梅，王恒.LNG儲罐穹頂帶鋼板網(wǎng)殼施工全過程穩(wěn)定性分析[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2015，9（4）：88-89.

[2]王恒.大型LNG儲罐混凝土外罐及穹頂施工期間全過程受力分析[D].2014， 哈爾濱工業(yè)大學(xué)：結(jié)構(gòu)工程.