GB12337-2014《 鋼制球形儲(chǔ)罐》中引入了 分 析 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 方法，對(duì)球罐的材料、計(jì)算、 制造等方面提出相應(yīng)的要求。支柱穩(wěn)定性計(jì)算仍舊采用了基于GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中 的 舊 算 法。ANSIAISC360-10美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中提出了基于直接分析設(shè)計(jì)法的構(gòu)件穩(wěn)定性新計(jì)算方法。我國(guó)的 GB50017-xxxx《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》征求意見(jiàn)稿中也提出了構(gòu)件穩(wěn)定性的直接分析設(shè)計(jì)法，穩(wěn)定性安全系數(shù)取為 2.0。以廣西某公司一萬(wàn)方丁烷球罐為例，應(yīng)用GB12337-2014《鋼制球形儲(chǔ)罐》和直接分析設(shè)計(jì)法對(duì)該球罐的支柱穩(wěn)定性進(jìn)行了分析計(jì)算。
球罐設(shè)計(jì)應(yīng)考慮設(shè)計(jì)壓力、自重、風(fēng)載、地震載荷、耐壓試驗(yàn)壓力等載荷的影響。球罐操作介質(zhì)丁烷密度為 600kg/m 3 ，為試驗(yàn)介質(zhì)水密度的 60%。根據(jù)以往的球罐設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于此種介質(zhì)的設(shè)備，球罐支柱穩(wěn)定性校核結(jié)果由壓力試驗(yàn)工況決定。為了討論支柱尺寸對(duì)支柱穩(wěn)定性的影響，在支柱橫截面積不變，即所用材料重量基本不變的條件下，改變支柱的外徑和壁厚，按照 GB12337-2014《鋼制球形儲(chǔ)罐》和直接分析設(shè)計(jì)法對(duì)球罐的支柱穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算。在支柱橫截面積不變，即所用材料重量基本不變的情況下，隨著支柱壁厚的變小（支柱外徑變大），支柱當(dāng)量壓縮應(yīng)力變小，支柱穩(wěn)定性評(píng)定結(jié)果從“不能通過(guò)”到“通過(guò)”，支柱穩(wěn)定性變好。
直接分析設(shè)計(jì)法
應(yīng)用大型通用有限元分析軟件ANSYS12.0，建立有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算。 球殼內(nèi)壁考慮 1.5mm的腐蝕裕量和 0.3mm 的鋼板負(fù)偏差。 球 殼 內(nèi) 直 徑 26,803.6mm，球 殼 厚 度 取 有 效 厚 度 32.2 mm。球罐整體結(jié)構(gòu)三維有限元分析模型網(wǎng)格劃分如圖 1。球殼分兩層六面體 20 節(jié)點(diǎn)（SOLID186）單元，單元數(shù) 12,684。上、下支柱和耳板用四邊形 8 節(jié)點(diǎn)（SHELL281）單元， 單 元 數(shù) 62,776。 拉 桿 用 2 節(jié)點(diǎn)（LINK8）桿單元模擬，單元數(shù)28。球罐整體結(jié)構(gòu)有限元模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù) 270,808。
支柱尺寸首先按照 φ968×16mm進(jìn)行建模計(jì)算。考慮附件、雪載荷、厚度附加量等的重量，球殼當(dāng)量材料密度 8,710 kg/ m 3 ，（鋼結(jié)構(gòu)材料密度 7,850kg/m 3 ）。支柱下端按固支邊界處理，約束了三個(gè)方向的位移。 球殼內(nèi)壁施加水壓試驗(yàn)壓力，施加縱向向上加速度載荷。設(shè)置材料為理想彈塑性材料，打開(kāi)大變形選項(xiàng)。經(jīng)過(guò)有限元非線(xiàn)性計(jì)算，可得球罐水壓試驗(yàn)工況整體失穩(wěn)變形，支柱局部失穩(wěn)變形，支柱局部塑性應(yīng)變與縱向向上加速度載荷呈現(xiàn)變化關(guān)系，球罐水壓試驗(yàn)工況支柱穩(wěn)定性的臨界載荷為 19.881m/s 2 ，臨界載荷比為 19.881/9.81=2.03 ＞ 2，可以通過(guò)。在支柱截面積不變，即所用材料重量基本不變的條件下，分別選取支柱尺寸 φ1,030×15mm，φ1,102×1,4mm， φ1,184×13mm ，φ1,281×12mm 進(jìn)行非線(xiàn)性計(jì)算，得出球罐各支柱尺寸下的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果。
通過(guò)幾組支柱尺寸的計(jì)算結(jié)果表明：在支柱橫截面積不變，即所用材料重量基本不變的情況下，在隨著支柱壁厚的變小（支柱外徑變大），支柱穩(wěn)定性臨界載荷變小，臨界載荷比變小，支柱穩(wěn)定性評(píng)定結(jié)果從“通過(guò)”到“不能通過(guò)”，支柱穩(wěn)定性變差。
計(jì)算結(jié)果分析
依據(jù) GB12337-2014《鋼制球形儲(chǔ)罐》和 ANSYS 有限元直接分析設(shè)計(jì)方法，對(duì) 10,000m 3 丁烷球罐支柱穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明， 兩種方法得出的結(jié)論并不一致。依據(jù) GB12337 標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果表明， 在支柱橫截面積相同的條件下，5 組支柱尺寸中支柱越薄的穩(wěn)定性越好，而有限元直接分析設(shè)計(jì)法的計(jì)算結(jié)果表明，在支柱橫截面積相同的條件下，5 組支柱尺寸中支柱越厚穩(wěn)定性越好。GB12337 標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算方法是基于 GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中壓彎構(gòu)件的計(jì)算方法，這種方法考慮到了橫截面抗彎模量 Z，彎矩作用平面內(nèi)軸心受壓的支柱穩(wěn)定系數(shù) 等因素的影響，但是無(wú)法考慮到構(gòu)件的局部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問(wèn)題。雖然支柱減薄（外徑變大） 會(huì)使橫截面抗彎模量 Z 變大，但是支柱減薄會(huì)使支柱局部位置，比如支柱與 U 型托板以及球殼板連接處的抗彎能力減弱。基于 ansys有限元軟件的直接分析設(shè)計(jì)法考慮了材料非線(xiàn)性、 幾何非線(xiàn)性的影響，通過(guò)建立合理的有限元計(jì)算模型進(jìn)行非線(xiàn)性計(jì)算可以計(jì)算出支柱失穩(wěn)的具體位置，畫(huà)出載荷響應(yīng)曲線(xiàn)，得出支柱失穩(wěn)的臨界載荷，應(yīng)該是更為準(zhǔn)確、合理的方法。垂直度偏差影響穩(wěn)定性球罐的支柱在建造過(guò)程中，必然會(huì)產(chǎn)生一定的垂直度偏差，支柱的垂直度偏差會(huì)對(duì)球罐支柱的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。GB12337-2014《鋼制球形儲(chǔ)罐》中規(guī)定：當(dāng)支柱高度H 大 于 8,000mm 時(shí)， 在 球 罐 徑向和周向方向的垂直度允許偏差△（ △ =|a1-a2|）， 應(yīng) 小 于 或 等 于1.5H/1,000，且不大于 15mm。
以 支 柱 尺 寸 為 φ968×16mm的球罐有限元模型為例，對(duì)該有限元模型進(jìn)行調(diào)整。首先施加側(cè)向加速 度 載 荷， 使 支 柱 產(chǎn) 生 表 5 中 需要 得 到 的 一 系 列 偏 差 值， 再 應(yīng) 用UPCOORD 命令更新有限元模型。在更新后的模型上施加縱向向上加速度載荷，進(jìn)行非線(xiàn)性穩(wěn)定性計(jì)算，可以得到一系列側(cè)向垂直度偏差下的支柱穩(wěn)定性臨界載荷值。同樣以支柱尺寸為 φ968×16mm的球罐有限元模型為例，對(duì)該有限元模型進(jìn)行調(diào)整。以球罐豎直軸線(xiàn)為軸，施加角加速度載荷，得出支柱需要的一系列周向偏差值，再應(yīng)用 UPCOORD 命令更新有限元模型。在更新后的模型上施加縱向向上加速度載荷，進(jìn)行非線(xiàn)性穩(wěn)定性計(jì)算，可以得到一系列周向垂直度偏差下的支柱穩(wěn)定性臨界載荷值。再次以支柱尺寸為 φ968×16mm的球罐有限元模型為例，對(duì)該有限元模型進(jìn)行調(diào)整。首先施加一系列的位移約束（支柱中心圓變小），計(jì)算后再應(yīng)用 UPCOORD 命令更新有限元模型。在更新后的模型上施加縱向向上加速度載荷，進(jìn)行非線(xiàn)性穩(wěn)定性計(jì)算，得到一系列徑向垂直度偏差下的支柱穩(wěn)定性臨界載荷值。
通過(guò)幾組計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)支柱的垂直度偏差在 GB12337-2014《鋼制球形儲(chǔ)罐》要求范圍內(nèi)時(shí)，側(cè)向、周向和徑向垂直度偏差對(duì)支柱的穩(wěn)定性臨界載荷沒(méi)有明顯的影響。分析認(rèn)為，10,000m 3 丁烷球罐支柱中心圓直徑為 26,800mm，支柱外徑達(dá)到 1,000mm 左右，標(biāo)準(zhǔn)要求的支柱垂直度偏差≤ 15mm是較為嚴(yán)格的，對(duì)球罐整體的穩(wěn)定性沒(méi)有大的影響。
相比 GB12337-2014《鋼制球形儲(chǔ)罐》 中支柱穩(wěn)定性的計(jì)算方法，ANSYS 有限元直接分析設(shè)計(jì)方法是更準(zhǔn)確、合理的。GB12337-2014《鋼制球形儲(chǔ)罐》標(biāo)準(zhǔn)中要求的支柱垂直度偏差要求是保守的、安全的。球罐的設(shè)計(jì)除了考慮穩(wěn)定性，還應(yīng)該考慮局部位置，特別是支柱與球殼連接處的強(qiáng)度的問(wèn)題。在滿(mǎn)足穩(wěn)定性、強(qiáng)度等條件下，合理選取支柱的規(guī)格尺寸，使球罐支柱的設(shè)計(jì)安全、合理、經(jīng)濟(jì)可靠。
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