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焊缝对大型油罐“象足”屈曲行为的影响

曾明  
【摘要】: “象足”屈曲是石油储罐在地震作用下的一种典型破坏方式,本质上它是轴压屈曲失稳。轴压屈曲问题对结构的初始几何缺陷非常敏感。遵循等强度设计理念,大型油罐一般由多层不等厚的圆柱形筒节焊接而成,其制作时会因焊接而不可避免地产生焊接残余应力及残余变形。焊接残余变形可看作圆柱壳上存在的初始几何缺陷,将在一定程度上减弱经典圆柱壳的屈曲临界载荷。因此,本文系统研究了焊缝对大型油罐屈曲行为的影响,主要工作为: (1)对无焊缝的20万方大型石油储罐几何理想结构在100%充水状态下的屈曲安全性进行了理论计算,结果表明该罐在6~9级地震设防烈度下不会发生“象足”屈曲失稳。同时采用准静态数值模拟方法,结合弧长法,计算得到了不同地震设防烈度下的“象足”屈曲临界载荷。 (2)采用固有应变法预测圆筒的焊接残余应力及变形,模拟得到的残余应力分布特点与实测结果一致,验证了该方法的准确性与可行性。比较了均匀分布和梯形分布这两种不同的固有应变分布形式对轴压屈曲临界载荷的影响,结果表明采用均匀分布的固有应变模拟焊接对结构偏安全。 (3)模拟了带纵焊缝、带环焊缝和带纵环组合焊缝的一系列小型薄壁圆柱壳在轴压作用下的屈曲行为,揭示了焊缝类型、焊接残余应力与变形、焊缝余高、焊缝数量及焊缝设置位置等因素对轴压屈曲临界载荷的影响规律。 (4)建立了考虑焊接残余应力及变形的大型油罐“象足”屈曲准静态计算模型,初步分析了焊缝有无、焊缝类型、焊接残余应力和变形的大小、焊接次序对大型油罐“象足”屈曲的影响。结果表明,焊缝的存在都不同程度地降低了油罐的“象足”屈曲临界载荷,在相同的固有应变作用下,组合焊缝对油罐屈曲临界载荷降低程度最大;焊接残余应力和变形越大,“象足”屈曲临界载荷也越低;焊接次序对油罐的屈曲载荷影响不大,但提高了屈曲的初始发生位置。


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