筏板基礎-儲存壓力容器的靜力作用分析

皇甫晶 魏昭成 馬俊

摘要：為分析筏板基礎與壓力容器的靜力作用，通過建立非線性有限元軟件ABAQUS建立的混凝土筏板基礎與鋼制壓力容器的有限元模型。分析在重力荷載作用下筏板與壓力容器的應力與位移場的分布規律。分析結果表明，在自重作用下板底部最大豎向位移分布在圓柱筒體與筏板基礎的接觸區域，鋼制壓力容器與C30標號的混凝土筏板基礎均未發生塑性應變。

Abstract： In order to analyze the static action of raft foundation and pressure vessel， the finite element model of concrete raft foundation and steel pressure vessel is established by the nonlinear finite element software ABAQUS. The distribution law of stress and displacement field of raft and pressure vessel under gravity load is analyzed. The results show that the maximum vertical displacement of the bottom of the slab under the action of self weight is distributed in the contact area between the cylinder and the raft foundation， and there is no plastic strain between the steel pressure vessel and the C30 concrete raft foundation.

關鍵詞：筏板基礎;壓力容器;自重荷載;ABAQUS

Key words： raft foundation;pressure vessel;self weight load;ABAQUS

中圖分類號：TU471.1+5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）17-0206-02

0 ?引言

結構與基礎之間的動力相互作用是壓力容器研究的重要領域。基礎與儲罐是一個整體，在荷載作用下二者的交界處會產生相互作用力及相關聯的位移。一些實際工程問題，如建筑物筏板基礎、動力設備基礎等，可視為板與地基的接觸問題。

針對儲罐的動力分析近年來國內外學者開展了一些具有實際工程背景的研究，周利劍[1]通過有限元軟件ADINA對立式儲罐作在地震作用下的晃動響應進行分析，發現立式儲罐的晃動波高與輸入地震動峰值加速度成線性關系，認為儲液在地震作用下的晃動是由多階振型疊加的結果。呂遠[2]等依據橢圓軌道滾動隔震裝置恢復力力學模型，得到滾動基礎隔震后能夠有效地減小球形儲罐地震動響應的結論。林樹潮[3]等研究了豎向地震動對摩擦擺隔震LNG儲罐地震響應的影響，認為LNG儲罐地震響應必須考慮豎向地震動，而減小摩擦擺的摩擦系數與曲率半徑，可以有效地降低豎向地震動對LNG儲罐地震響應的影響。王成龍[4]等研究了帶環形剛性隔板和基礎隔震的儲液罐在地震激勵下的動力響應，討論了隔震支座和隔板的參數對整個系統動力響應的影響。楊德明[5]對爆破荷載下在役儲油罐動態響應進行了實驗研究，發現最大應變出現在罐底1/5位置，罐壁與罐底連接部位是薄弱環節，應進行監測。

本研究依據ABAQUS非線性有限元分析軟件建立了筏板基礎-儲罐三維有限元模型，分別對水平向和數值向地震荷載作用下筏板基礎與儲罐的動態相應進行分析。

1 ?分析模型

筏板基礎采用長度和寬度為4m，厚度為0.3mC30混凝土;采用混凝土損傷塑性模型（Concrete damage plasticity model），計算時采利用的主要物理力學指標如表1所示。

儲存壓力容器的材質為16Mn鋼材，彈性模量E=210GPa，泊松比為0.3，筒體內徑為3.4m，外徑為3.6m;圓柱周壁厚0.1m，頂板及底板厚0.15m。分析時采用理想彈塑性模型，鋼材屈服強度fs=235MPa。

壓力容器放置在混凝土筏板基礎上，約束筏板基礎底面X，Y，Z三個方向的位移。考慮到構造要求，壓力容器與筏板基礎頂面設置完全綁定約束。

混凝土筏板采用位移模式為式（1）所示的C3D8R空間三維減縮積分單元。

（1）

考慮到4結點四面體單元的位移模式為線性位移模式，應變為常應變，分析時可能產生較大誤差;壓力容器采用具有更高計算精度的10結點二次四面體單元，其位移模式如式（2）所示。

（2）

2 ?分析結果

由壓力容器-筏板基礎三維仿真分析結果可以看出，在自重作用下，如圖1所示，板底部最大豎向位移分布在圓柱筒體與筏板基礎的接觸區域;同時如圖2所示在基礎區域Mises等效應力取得最大值，應力水平由板頂到板底逐漸減小。

如圖3所示，在自重荷載作用下，鋼制壓力容器與C30標號的混凝土筏板基礎均未發生塑性應變，其塑性等效應變為零;表明筏板基礎-壓力容器整體結構的應力在安全范圍內。

參考文獻：

[1]周利劍，許田，盧召紅，顧孝宋.立式儲罐儲液晃動波面振動分析[J].河北工程大學學報（自然科學版），2020，37（01）：12-18.

[2]呂遠，孫宗光，孫建剛，崔利富，王振.變曲率滾動隔震動力學分析及在球形儲罐中的應用[J].振動工程學報，2020，33（01）：188-195.

[3]林樹潮，周一君，郭雪源，韓建強.豎向地震動對摩擦擺隔震LNG儲罐地震響應的影響[J].特種結構，2020，37（01）：72-78.

[4]王成龍，王佳棟，孫保蒼，王丹.帶環形剛性隔板和基礎隔震儲液罐的動力響應[J].噪聲與振動控制，2019，39（06）：159-163，193.

[5]楊德明，熊祖釗，吳亮，胡從驕，夏世林.爆破荷載下在役儲油罐動態響應實驗研究[J].爆破，2019，36（03）：124-128.