筏板基础-储存压力容器的静力作用分析

皇甫晶 魏昭成 马俊

摘要：为分析筏板基础与压力容器的静力作用，通过建立非线性有限元软件ABAQUS建立的混凝土筏板基础与钢制压力容器的有限元模型。分析在重力荷载作用下筏板与压力容器的应力与位移场的分布规律。分析结果表明，在自重作用下板底部最大竖向位移分布在圆柱筒体与筏板基础的接触区域，钢制压力容器与C30标号的混凝土筏板基础均未发生塑性应变。

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.

关键词：筏板基础;压力容器;自重荷载;ABAQUS

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

中图分类号：TU471.1+5                                  文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）17-0206-02

0  引言

结构与基础之间的动力相互作用是压力容器研究的重要领域。基础与储罐是一个整体，在荷载作用下二者的交界处会产生相互作用力及相关联的位移。一些实际工程问题，如建筑物筏板基础、动力设备基础等，可视为板与地基的接触问题。

针对储罐的动力分析近年来国内外学者开展了一些具有实际工程背景的研究，周利剑[1]通过有限元软件ADINA对立式储罐作在地震作用下的晃动响应进行分析，发现立式储罐的晃动波高与输入地震动峰值加速度成线性关系，认为储液在地震作用下的晃动是由多阶振型叠加的结果。吕远[2]等依据椭圆轨道滚动隔震装置恢复力力学模型，得到滚动基础隔震后能够有效地减小球形储罐地震动响应的结论。林树潮[3]等研究了竖向地震动对摩擦摆隔震LNG储罐地震响应的影响，认为LNG储罐地震响应必须考虑竖向地震动，而减小摩擦摆的摩擦系数与曲率半径，可以有效地降低竖向地震动对LNG储罐地震响应的影响。王成龙[4]等研究了带环形刚性隔板和基础隔震的储液罐在地震激励下的动力响应，讨论了隔震支座和隔板的参数对整个系统动力响应的影响。杨德明[5]对爆破荷载下在役储油罐动态响应进行了实验研究，发现最大应变出现在罐底1/5位置，罐壁与罐底连接部位是薄弱环节，应进行监测。

本研究依据ABAQUS非线性有限元分析软件建立了筏板基础-储罐三维有限元模型，分别对水平向和数值向地震荷载作用下筏板基础与储罐的动态相应进行分析。

1  分析模型

筏板基础采用长度和宽度为4m，厚度为0.3mC30混凝土;采用混凝土损伤塑性模型（Concrete damage plasticity model），计算时采利用的主要物理力学指标如表1所示。

储存压力容器的材质为16Mn钢材，弹性模量E=210GPa，泊松比为0.3，筒体内径为3.4m，外径为3.6m;圆柱周壁厚0.1m，顶板及底板厚0.15m。分析时采用理想弹塑性模型，钢材屈服强度fs=235MPa。

压力容器放置在混凝土筏板基础上，约束筏板基础底面X，Y，Z三个方向的位移。考虑到构造要求，压力容器与筏板基础顶面设置完全绑定约束。

混凝土筏板采用位移模式为式（1）所示的C3D8R空间三维减缩積分单元。

（1）

考虑到4结点四面体单元的位移模式为线性位移模式，应变为常应变，分析时可能产生较大误差;压力容器采用具有更高计算精度的10结点二次四面体单元，其位移模式如式（2）所示。

（2）

2  分析结果

由压力容器-筏板基础三维仿真分析结果可以看出，在自重作用下，如图1所示，板底部最大竖向位移分布在圆柱筒体与筏板基础的接触区域;同时如图2所示在基础区域Mises等效应力取得最大值，应力水平由板顶到板底逐渐减小。

如图3所示，在自重荷载作用下，钢制压力容器与C30标号的混凝土筏板基础均未发生塑性应变，其塑性等效应变为零;表明筏板基础-压力容器整体结构的应力在安全范围内。

参考文献：

[1]周利剑，许田，卢召红，顾孝宋.立式储罐储液晃动波面振动分析[J].河北工程大学学报（自然科学版），2020，37（01）：12-18.

[2]吕远，孙宗光，孙建刚，崔利富，王振.变曲率滚动隔震动力学分析及在球形储罐中的应用[J].振动工程学报，2020，33（01）：188-195.

[3]林树潮，周一君，郭雪源，韩建强.竖向地震动对摩擦摆隔震LNG储罐地震响应的影响[J].特种结构，2020，37（01）：72-78.

[4]王成龙，王佳栋，孙保苍，王丹.带环形刚性隔板和基础隔震储液罐的动力响应[J].噪声与振动控制，2019，39（06）：159-163，193.

[5]杨德明，熊祖钊，吴亮，胡从骄，夏世林.爆破荷载下在役储油罐动态响应实验研究[J].爆破，2019，36（03）：124-128.