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大型钢储罐在谐波沉降下的结构性能

曹庆帅  
【摘要】:大型立式圆柱形钢储罐由底板、圆柱壳、固定或浮动顶盖组成,广泛用于固体和液体的储存。建造在软土地基上的大型钢储罐易产生各种沉降变形,其中罐周不均匀沉降对结构的影响最为不利,是导致实际储罐工程事故的主要原因。 罐周不均匀沉降可以展开成各阶谐波沉降的傅里叶级数,把各阶谐波沉降引起的变形和内力叠加起来可得到完全解。本文总结整理了各类大型储罐沉降变形的大量实测数据,并利用傅立叶分解分析罐周不均匀沉降的组成及特点。然后利用分析得到的谐波沉降对储罐结构进行了有限元分析。分析表明,储罐在不均匀沉降下的应力和变形均与其几何参数有关,因此目前基于工程经验且与储罐参数无关的地基变形允许值从结构的角度看不尽合理。合理的沉降标准应该基于结构的响应。 通过有限元分析,系统研究了谐波沉降下浮顶罐结构的线性静力性能。主要内容包括:a)罐顶的最大径向位移和罐底的最大竖向内力以及其它形式的最大位移和内力;b)详细分析几何参数的影响;c)扩大谐波数范围,对罐底最大竖向应力和风梁最大周向应力做了比较;d)详细分析沿储罐高度的结构变形和内力,并提出了按储罐高度分区的概念;e)基于有限元结果对罐顶径向位移和罐底最大竖向应力随谐波数的变化提出拟合公式;f)基于谐波沉降的分析对不均匀沉降下的大型钢储罐提出新的沉降控制标准。 对谐波沉降下的固顶罐结构进行了特征值屈曲分析和几何非线性分析,讨论谐波数、径厚比、高径比等几何参数以及内压、轴压对极限沉降值的影响,并考察了初始几何缺陷的影响。储罐在谐波沉降下的非线性屈曲模态与线性屈曲模态基本一致,有两种基本形式:贯穿整个储罐高度的剪切变形和罐底局部轴向压应力引起的“象脚破坏”。储罐的非线性屈曲模态和谐波数、径厚比、高径比有密切关系。非线性谐波极限沉降随谐波数、径厚比的增大而减小。极限谐波沉降随附加罐壁内压或罐顶轴向压力的增大而减小;且较小径厚比储罐的谐波极限沉降随轴压或内压的增大而减小的趋势总体上比径厚比较大时明显。


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