对大型储罐钢穹顶稳定性相关内容论述

庄俊

摘要：本文主要分析了大型储罐钢穹顶，重点介绍了稳定性相关内容，它不仅能够充分发挥大型储罐钢穹顶的稳定性，而且还可以有效提高大型储罐钢穹顶的使用寿命。通过对大型储罐钢穹顶稳定性相关内容进行分析，以期为大型储罐钢穹顶生产提供可靠的保障，创造出最大化的经济与社会效益。

关键词：大型储罐钢穹顶;稳定性

1.单层肋环型网壳稳定性

对于单层肋环型网壳稳定性的分析，是研究带钢板网壳的受力性能的重要前提，也是进一步探索得出带钢板网壳稳定性的重要步骤。从单层肋环型网壳稳定性的分析结果出发，探索其结果在额满跨均布荷载中的基础内容;并结合针对网壳有限元模型中应用功能的梁单元尺寸分析，在保持0.5m实践数据下，得出肋环网壳的非线性分析结论，见图1：

在图1（a）中，其反映的是：处于网壳失稳状态下所发生的荷载-转角位移曲线图。其主要是包括了最大转角位移节点和网壳失稳的最大竖向位移节点等位置，并分析其产生的荷载-竖向位移值。通过对对比不同位置的荷载-转角位移曲线图以及图1（b）失稳后的转角位移云图可以发现：局部环梁的扭转失稳是导致网壳失稳的原因，并且其大多数会出现在网壳的环梁位置，其中第5、6、7圈最为集中。伴随着失稳现象的发生，第6圈的环梁位置中部分的环梁出现塑性应变的结果，并向着塑性阶段发展。这种情况下，网壳此时的稳定承载力大致数据是2.71kN/m2。

一般而言，导致网壳失稳的原因可以归结为局部环梁的扭转失稳现象。当这种情况发生时是无法仅仅依靠荷载-位移数值来得出来初始缺陷形式的，必须要在其他诸如特征值屈曲分析的同时，才可能得出肋环网壳的初始缺陷形式。一般情况下都是通过分析最低阶整体屈曲模态来研究其不同跨度下的过程缺陷最值。大部分所应用的跨度为1/300、1/500以及1/1000等，其分别测出的网壳极限屈曲的承载力对应为1.61kN/m2、1.90kN/m2、2.24kN/m2，如图1（c）所示。

通过增大截面的方式，可以使失稳模式转化为局部区域凹陷，如图2所示。大型储罐钢穹顶失稳时，会导致网壳处于弹性阶段，即所谓的弹性失稳。通过对图1（c）荷载-位移曲线进行分析可以发现，增大截面后稳定承载力提升为3.1kN/m2，与之前相比提升了11.1%。实际上，在不同大小初始缺陷下，通过改变网壳截面后，可以使弹性失稳转化为弹塑性失稳形式。此时，其稳定承载力可以达到提高3.1-3.7%的效果;与此同时，截面增强后，所需钢量增加了5.5%。

2.带钢板网壳的稳定性

2.1确定初始缺陷

在研究带钢板网壳稳定性的过程中，一般是利用一种被称为“一致缺陷模态法”的技术来计算网壳的分枝平衡路径。这种方法是以荷载-位移全过程的分析为基础，结合不同状态下两个邻近状态的位移差作为结构屈曲前、后临界点的屈曲模态所反映的精确形式。同时，在这种屈曲模态下，还需要做到与初始缺陷形式的一致性。此后，在增量计算过程中，当计算的累积误差逐渐变大并积累到一定程度，就需要开始自动化的计算转换，从分枝后的平衡路径入手，计算步数以及相应的自由度数。但是，伴随着计算过程的持续推进，计算累积误差也会随之增加、

2.2非线性稳定分析

在图3中，主体部分为6mm钢板厚度的网壳，其产生的非线性稳定分析结果为1/7.5的矢跨比例。通过对图3（a）、（b）进行分析发现，带钢板网壳失稳状态下，第5-8圈的环梁位置集中出现了局部凹陷的情况，并且在失稳状态下梁、板局部也呈现出一种塑性状态，即所谓的弹塑性失稳。图3（c）所对应的荷载-位移曲线图是处于带钢板网壳上的最大节点竖向位移位置的数据;此时在不考虑初始缺陷的情况下，网壳的极限承载力大致为34.41kN/m2。将其与纯网壳对比，可以發现：钢板网壳的极限承载力相较之前有明显的幅度提升，并达到了11.70倍。在其与较纯网壳进行比较时，如果大型储罐钢穹顶的初始缺陷取值采取1/300、1/500以及1/1000的比例，那么钢板网壳的极限承载力将有较大的变化，大致得到了7.76、8.78、9.87倍的提升。因此，通过蒙皮处理，可以有效提高大型储罐钢穹顶的承载力。随着初始缺陷的增大，会导致网壳承载力不断降低，当初始缺陷的应用比例为1/300时，其所导致的网壳极限承载力则是14.10N/m2。将其与无缺陷对比发现，降低了59.0%。实际上，只有梁构件局部进入塑性时，对带钢板网壳进行蒙皮处理，才可以使其处于弹性阶段。

3.单层球面钢网壳结构稳定性分析

3.1提取初始缺陷

在进行钢穹顶屈曲分析过程中，需要构建最低阶整体失稳模态，其可以作为下一步整体稳定分析过程中的初始缺陷。该过程中荷载一般选择水平均布压力1.2kPa，研究发现大多数屈曲模态属于蒙皮板局部屈曲。为了进一步了解和掌握初始缺陷对单层球面钢网壳结构整体稳定承载力所产生的影响，需要赋予结构不同的初始缺陷，进而对其整体稳定承载力进行计算。本次研究中，分别从1/300初始缺陷、2倍初始缺陷、3倍初始缺陷三个方面来进行分析，其所得到的计算结果如表1所示：

通过对表1进行分析可以得知，初始缺陷的大小将会对极限稳定承载力产生比较大的影响，初始缺陷越大，所对应的极限稳定承载力越低。

1.2整体稳定分析

在整体稳定分析过程中，一般会选择将屈曲分析阶段所获得最低整体失稳模态作为初始缺陷，并根据最大位移放大至跨度70m的1/300，即所谓的0.23m作等比例进行放大。选择ABAQUS内置的弧长法来对单层球面钢网壳结构的整体稳定性进行分析，其能够有效捕捉荷载位移曲线中所出现的荷载下降段。

4.结束语

综上所述，在进行大型储罐钢穹顶生产过程中，需要对其稳定性相关内容进行分析，这样不仅可以确保大型储罐钢穹顶的生产质量，而且还可以有效提高其使用寿命。

参考文献：

[1]翟希梅，王恒.LNG储罐穹顶带钢板网壳施工全过程稳定性分析[J].哈尔滨工业大学学报，2015，9（4）：88-89.

[2]王恒.大型LNG储罐混凝土外罐及穹顶施工期间全过程受力分析[D].2014， 哈尔滨工业大学：结构工程.