预应力轻骨料混凝土采油平台罐体模型的试验研究
【摘要】：
在全球面临能源危机的今天，我国海上油田中存在大量的边际油田急待开发，而传统的钢导管架平台根本无法满足这些油田的开采要求，因此研制新型的多功能移动式采油设施势在必行。小型单罐、五腿柱的轻质高强预应力砼平台正是为了填补这项空白而设计的。
本文针对“轻质高强预应力混凝土平台的研究”这一课题，从罐体结构型式的确定，混凝土基本材料及外加剂的选配，模型的设计制作，到模型结构在各种外荷载及温度荷载作用下的受力性能试验研究及罐体结构的有限元分析，展开了如下几个方面的研究：
1．通过对我国渤海地区特有的环境条件和地质条件的分析，根据国内外现有的混凝土平台类型，确定出了适合开采我国渤海地区滩海油田的混凝土平台结构型式。设计制作了比例系数为1：5的罐体结构模型；通过对影响平台罐体受力状态的各主要物理量的量纲分析，确定了模型与原型结构的相似性；并进行了模型试验。
2．针对采油平台海上施工的特点，讨论了近海混凝土采油平台对混凝土的强度、耐久性和可建造性方面的各项要求。分析了作为轻骨料的粉煤灰陶粒的化学、矿物成分和物理力学性能以及用它作为粗骨料配制出的轻质混凝土的各项特性；研究了掺入硅灰和减水剂等外加剂对混凝土的强度、耐久性和新拌混凝土可工作性的影响；说明了硅灰和化学外加剂在海洋平台混凝土施工中不可或缺的作用。并根据材料特性试验，回归出了三个比现有经验公式与实测值符合得更好的用来估算轻骨料混凝土弹性模量的经验公式。
3．温度作用是试验过程中的主要荷载，为了分析清楚构件在温度效应下的应力、应变和变形问题，为正确测量试验数据和进行数据分析做准备，分析了应变片在测量过程中由于温度变化产生的热输出、热误差等热效应；讨论了构件实际发生应变、引起应力的应变和测量应变这几个容易发生混淆的概念之间的差异。研究了构件在自由变形条件和约束条件下处于稳定线性温度场、稳定非线性温度场以及不稳定温度场时的变形、应力和应变：对上述三种应变之间的关系做了定量的分析；并推导出了上述几种约束和
大连理工大学博士学位论文
变温条件下的变形、应力和各类应变的计算表达式。对变温在什么情况下
引起应力，什么情况下不引起应力进行了讨论。
4．对罐壁空气夹层的导热问题进行了研究。推导出了稳定状态下，垂
直有限空间夹层中传热系数的表达式。运用函数求极值的方法，证明了封
闭垂直夹层中的传热系数存在极小值，即封闭垂直夹层在理论上存在最小
的当量导热系数，并推导出了最佳空气夹层厚度的理论公式。
5．进行了罐体热传导试验，证明了空气隔热层具有令人满意的效果，
大大降低了罐壁温差，有效预防了温度裂缝的发生。并通过建立传热数学
模型和有限元计算模型，对罐体进行了稳态温度场有限元分析，并把计算
结果与实测结果进行了对比，二者吻合良好。指出了将来实际应用中应注
意的问题。
6．对罐体模型结构在预应力作用、静水压力作用、温度作用、外荷载
作用、以及外荷载与温度共同作用下的受力性能进行了系统地试验；研究
了罐体各部分在各种荷载工况作用下的受力特点。建立了罐体的整体线弹
性有限元模型，对平台罐体的相应受力状态进行了理论计算，并把理论结
果和试验结果进行了对比分析。指出了预应力混凝土平台罐体将来在实际
应用中应注意的问题。
7．为了分析清楚用传统的分析方法无法弄清的罐体各个构件之间的相
互作用情况，采用分步施加预应力的方法，对预应力作用下罐体各部分之
间的相互制约情况进行了分析计算；并根据计算结果对施工过程中预应力
钢筋的布置和张拉方式等提出了建议。
8．通过大量算例，对构件组合和变温差异对热应力的影响问题进行了
分析。并根据分析结果提出了一种新的罐体结构型式。
【关键词】：预应力混凝土平台 粉煤灰陶粒 轻骨料混凝土 温度场 空气夹层 对流换热 试验模型 相互作用
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2002
【分类号】：TU378
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2002.112527
【目录】：
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2002
【分类号】：TU378
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2002.112527
【目录】：
- 论文摘要4-6
- 英文摘要6-14
- 第一章 绪论14-26
- §1．1 引言14-15
- §1．2 国外混凝土平台技术的发展概况15-17
- §1．3 我国混凝土平台的研究状况及应用前景17-19
- §1．4 国内外混凝土平台发展中存在的主要问题19-20
- §1．5 本文的工作20-22
- 参考文献22-26
- 第二章 平台结构型式的确定及模型的试验设计研究26-59
- §2．1 引言26-27
- §2．2 现有混凝土平台的结构型式27-31
- §2．3 适于渤海油田的平台结构型式及主要尺寸的确定31-35
- §2．3．1 平台结构型式的确定31-33
- §2．3．2 平台主要结构尺寸的确定33-35
- §2．4 平台模型的设计与制作35-45
- §2．4．1 模型试验的必要性35
- §2．4．2 模型结构的相似理论分析35-38
- §2．4．3 模型比例系数的确定38-39
- §2．4．4 模型的基础39
- §2．4．5 模板39-40
- §2．4．6 模型的材料40-45
- §2．5 模型中试验测点的布置45-51
- §2．5．1 应变测点的布置45-48
- §2．5．2 温度测点的布置48-51
- §2．5．3 位移测点的布置51
- §2．6 试验装置和测量仪器51-55
- §2．6．1 加温装置51-52
- §2．6．2 加载装置52-54
- §2．6．3 测量及数据采集仪器54-55
- §2．7 小结55
- 参考文献55-59
- 第三章 平台用混凝土的特点及其材料特性研究59-83
- §3．1 引言59-61
- §3．2 平台用混凝土的特点61
- §3．3 高强轻骨料混凝土的性质61-66
- §3．3．1粉煤灰陶粒的性能63-65
- §3．3．2 粉煤灰陶粒混凝土的性能65-66
- §3．4 硅灰对轻骨料混凝土性能的影响66-69
- §3．4．1 硅灰对轻骨料混凝土强度的影响66-68
- §3．4．2 硅灰对混凝土耐久性的影响68-69
- §3．5 化学外加剂对混凝土性质的影响69-71
- §3．5．1 外加剂的发展及应用69
- §3．5．2 减水剂（增塑剂）69-70
- §3．5．3 缓凝剂、促进剂和加气剂70-71
- §3．6 模型材料力学参数的确定71-77
- §3．6．1 混凝土71-76
- §3．6．2 钢筋76-77
- §3．7 小结77-78
- 参考文献78-83
- 第四章 温度作用下应变测量特点及构件变形分析83-102
- §4．1 引言83-84
- §4．2 电阻应变片的温度效应84-87
- §4．2．1 电阻应变片在温度影响下的应变分析84-85
- §4．2．2 电阻应变片的热输出85-86
- §4．2．3 应变测量电路及补偿86-87
- §4．3 温度效应引起的误差分析87-88
- §4．4 自由变形条件下构件的应力、应变和变形88-94
- §4．4．1 稳定温度场的构件应力、应变分析88-92
- §4．4．2 稳定温度场的构件温度变形计算92-93
- §4．4．3 不稳定温度场的构件应力、应变和变形分析93-94
- §4．5 约束条件下构件的应力、应变和变形94-98
- §4．5．1 温差为线性分布函数95-97
- §4．5．2 温差为非线性分布函数97-98
- §4．6 小结98-99
- 参考文献99-102
- 第五章 预应力轻骨料混凝土罐体受力性能试验研究102-124
- §5．1 引言102-103
- §5．2 试验过程103-107
- §5．2．1 预应力张拉103-105
- §5．2．2 罐体充水过程105
- §5．2．3 加温过程105-106
- §5．2．4 外荷载施加过程106-107
- §5．3 模型温度场试验结果及分析107-109
- §5．3．1 试验结果及分析107-109
- §5．3．2 对实际工程的建议109
- §5．4 罐体底板的受力性能试验分析109-113
- §5．4．1 预应力及静水压力作用下底板的受力分析109-110
- §5．4．2 外荷载作用下底板的受力分析110-111
- §5．4．3 温度作用下底板的受力分析111-112
- §5．4．4 外荷载和温度共同作用下底板的受力分析112-113
- §5．5 罐体顶板的受力性能试验分析113-116
- §5．5．1 预应力及静水压力作用下顶板受力分析113-114
- §5．5．2 外荷载作用下顶板的受力分析114-115
- §5．5．3 温度作用下顶板的受力分析115
- §5．5．4 外荷载和温度共同作用下顶板的受力分析115-116
- §5．6 罐体外环壁的受力性能试验分析116-118
- §5．6．1 预应力及静水压力作用下外环壁的受力分析116-117
- §5．6．2 外荷载作用下外环壁的受力分析117
- §5．6．3 温度作用下外环壁的受力分析117-118
- §5．6．4 外荷载和温度共同作用下外环壁的受力分析118
- §5．7 罐体中环壁的受力性能试验分析118-120
- §5．7．1 预应力及静水压力作用下中环壁的受力分析119
- §5．7．2 外荷载作用下中环壁的受力分析119-120
- §5．7．3 温度作用下中环壁的受力分析120
- §5．7．4 外荷载、温度荷载及静水压力共同作用下中环壁的受力分析120
- §5．8 其他需要说明的问题120-121
- §5．8．1 内环壁和隔板120
- §5．8．2 位移120-121
- §5．9 小结121
- 参考文献121-124
- 第六章 预应力砼平台罐体模型温度场的理论分析124-146
- §6．1 引言124-125
- §6．2 传热理论的数学描写125-131
- §6．2．1 热传导125-128
- §6．2．2 对流换热128-131
- §6．3 最优空气夹层厚度研究131-136
- §6．3．1 垂直有限空间传热系数表达式的推导131-134
- §6．3．2 最小夹层厚度的确定134-136
- §6．4 计算模型的建立及参数的确定136-140
- §6．4．1 计算模型的建立136-137
- §6．4．2 参数的确定137-140
- §6．5 计算结果分析及与试验结果的比较140-142
- §6．5．1 计算结果分析140-141
- §6．5．2 计算结果与试验结果的比较141-142
- §6．6 小结142
- 参考文献142-146
- 第七章 预应力砼平台罐体模型受力特性的有限元分析146-174
- §7．1 有热应力存在的弹性问题146-150
- §7．1．1 热弹性问题的特点146-147
- §7．1．2 外荷载和温度荷载共同作用的有限单元法147-150
- §7．2 平台罐体有限元分析模型的建立150-151
- §7．2．1 平台罐体的网格剖分150
- §7．2．2 工况及荷载的处理150-151
- §7．2．3 参数的确定151
- §7．3 罐体模型的总体有限元分析151-156
- §7．3．1 底板152-153
- §7．3．2 顶板153-154
- §7．3．3 外环壁和中环壁154-156
- §7．4 预应力作用下罐体各部分之间的相互作用分析156-162
- §7．4．1 罐体其它部分对外环壁的制约作用156-159
- §7．4．2 罐体其它部分对中环壁的制约作用159-161
- §7．4．3 外环壁、中环壁、隔板对底板和顶板的影响161
- §7．4．4 由相互作用分析得出的几点结论161-162
- §7．5 构件组合及变温差异对环壁热应力的影响162-168
- §7．5．1 算例工况162
- §7．5．2 计算结果162-163
- §7．5．3 结果分析163-168
- §7．6 一种新的罐体结构型式的提出168-170
- §7．7 小结170-171
- 参考文献171-174
- 第八章 结语与展望174-178
- §8．1 本文的工作总结174-177
- §8．2 需要进一步研究的问题177-178
- 创新点摘要178-179
- 博士期间论文发表情况179-180
- 致谢180
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| 【引证文献】 | ||
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| 【二级引证文献】 | ||
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| 【二级参考文献】 | ||
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| 【相似文献】 | ||
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