筏板基礎(chǔ)-儲存壓力容器的靜力作用分析

皇甫晶 魏昭成 馬俊

摘要：為分析筏板基礎(chǔ)與壓力容器的靜力作用，通過建立非線性有限元軟件ABAQUS建立的混凝土筏板基礎(chǔ)與鋼制壓力容器的有限元模型。分析在重力荷載作用下筏板與壓力容器的應(yīng)力與位移場的分布規(guī)律。分析結(jié)果表明，在自重作用下板底部最大豎向位移分布在圓柱筒體與筏板基礎(chǔ)的接觸區(qū)域，鋼制壓力容器與C30標號的混凝土筏板基礎(chǔ)均未發(fā)生塑性應(yīng)變。

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.

關(guān)鍵詞：筏板基礎(chǔ);壓力容器;自重荷載;ABAQUS

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

中圖分類號：TU471.1+5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）17-0206-02

0 ?引言

結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間的動力相互作用是壓力容器研究的重要領(lǐng)域?；A(chǔ)與儲罐是一個整體，在荷載作用下二者的交界處會產(chǎn)生相互作用力及相關(guān)聯(lián)的位移。一些實際工程問題，如建筑物筏板基礎(chǔ)、動力設(shè)備基礎(chǔ)等，可視為板與地基的接觸問題。

針對儲罐的動力分析近年來國內(nèi)外學(xué)者開展了一些具有實際工程背景的研究，周利劍[1]通過有限元軟件ADINA對立式儲罐作在地震作用下的晃動響應(yīng)進行分析，發(fā)現(xiàn)立式儲罐的晃動波高與輸入地震動峰值加速度成線性關(guān)系，認為儲液在地震作用下的晃動是由多階振型疊加的結(jié)果。呂遠[2]等依據(jù)橢圓軌道滾動隔震裝置恢復(fù)力力學(xué)模型，得到滾動基礎(chǔ)隔震后能夠有效地減小球形儲罐地震動響應(yīng)的結(jié)論。林樹潮[3]等研究了豎向地震動對摩擦擺隔震LNG儲罐地震響應(yīng)的影響，認為LNG儲罐地震響應(yīng)必須考慮豎向地震動，而減小摩擦擺的摩擦系數(shù)與曲率半徑，可以有效地降低豎向地震動對LNG儲罐地震響應(yīng)的影響。王成龍[4]等研究了帶環(huán)形剛性隔板和基礎(chǔ)隔震的儲液罐在地震激勵下的動力響應(yīng)，討論了隔震支座和隔板的參數(shù)對整個系統(tǒng)動力響應(yīng)的影響。楊德明[5]對爆破荷載下在役儲油罐動態(tài)響應(yīng)進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)變出現(xiàn)在罐底1/5位置，罐壁與罐底連接部位是薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)進行監(jiān)測。

本研究依據(jù)ABAQUS非線性有限元分析軟件建立了筏板基礎(chǔ)-儲罐三維有限元模型，分別對水平向和數(shù)值向地震荷載作用下筏板基礎(chǔ)與儲罐的動態(tài)相應(yīng)進行分析。

1 ?分析模型

筏板基礎(chǔ)采用長度和寬度為4m，厚度為0.3mC30混凝土;采用混凝土損傷塑性模型（Concrete damage plasticity model），計算時采利用的主要物理力學(xué)指標如表1所示。

儲存壓力容器的材質(zhì)為16Mn鋼材，彈性模量E=210GPa，泊松比為0.3，筒體內(nèi)徑為3.4m，外徑為3.6m;圓柱周壁厚0.1m，頂板及底板厚0.15m。分析時采用理想彈塑性模型，鋼材屈服強度fs=235MPa。

壓力容器放置在混凝土筏板基礎(chǔ)上，約束筏板基礎(chǔ)底面X，Y，Z三個方向的位移?？紤]到構(gòu)造要求，壓力容器與筏板基礎(chǔ)頂面設(shè)置完全綁定約束。

混凝土筏板采用位移模式為式（1）所示的C3D8R空間三維減縮積分單元。

（1）

考慮到4結(jié)點四面體單元的位移模式為線性位移模式，應(yīng)變?yōu)槌?yīng)變，分析時可能產(chǎn)生較大誤差;壓力容器采用具有更高計算精度的10結(jié)點二次四面體單元，其位移模式如式（2）所示。

（2）

2 ?分析結(jié)果

由壓力容器-筏板基礎(chǔ)三維仿真分析結(jié)果可以看出，在自重作用下，如圖1所示，板底部最大豎向位移分布在圓柱筒體與筏板基礎(chǔ)的接觸區(qū)域;同時如圖2所示在基礎(chǔ)區(qū)域Mises等效應(yīng)力取得最大值，應(yīng)力水平由板頂?shù)桨宓字饾u減小。

如圖3所示，在自重荷載作用下，鋼制壓力容器與C30標號的混凝土筏板基礎(chǔ)均未發(fā)生塑性應(yīng)變，其塑性等效應(yīng)變?yōu)榱?表明筏板基礎(chǔ)-壓力容器整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力在安全范圍內(nèi)。

參考文獻：

[1]周利劍，許田，盧召紅，顧孝宋.立式儲罐儲液晃動波面振動分析[J].河北工程大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2020，37（01）：12-18.

[2]呂遠，孫宗光，孫建剛，崔利富，王振.變曲率滾動隔震動力學(xué)分析及在球形儲罐中的應(yīng)用[J].振動工程學(xué)報，2020，33（01）：188-195.

[3]林樹潮，周一君，郭雪源，韓建強.豎向地震動對摩擦擺隔震LNG儲罐地震響應(yīng)的影響[J].特種結(jié)構(gòu)，2020，37（01）：72-78.

[4]王成龍，王佳棟，孫保蒼，王丹.帶環(huán)形剛性隔板和基礎(chǔ)隔震儲液罐的動力響應(yīng)[J].噪聲與振動控制，2019，39（06）：159-163，193.

[5]楊德明，熊祖釗，吳亮，胡從驕，夏世林.爆破荷載下在役儲油罐動態(tài)響應(yīng)實驗研究[J].爆破，2019，36（03）：124-128.