大型鋼儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載和風(fēng)致屈曲.pdf

1、儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)是一類典型的薄殼結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，如石油、液化天然氣、糧食、水泥等各類液體和固體的儲(chǔ)存，其中，石油化工業(yè)中的鋼制儲(chǔ)油罐最為常見。近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)家能源戰(zhàn)略的實(shí)施，以大型儲(chǔ)油罐為代表的大型鋼儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的建造方興未艾。大型鋼儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是徑厚比大、高徑比低，屬風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，在強(qiáng)風(fēng)甚至是長(zhǎng)時(shí)間和風(fēng)作用下容易失穩(wěn)破壞，特別是在空罐或儲(chǔ)液、儲(chǔ)料不多的情況下。在過(guò)去幾十年中，世界各國(guó)和地區(qū)已先后發(fā)生過(guò)多起鋼儲(chǔ)罐的風(fēng)毀

2、事故。由于鋼儲(chǔ)罐的風(fēng)毀造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的環(huán)境污染，其風(fēng)力穩(wěn)定問(wèn)題長(zhǎng)期以來(lái)受到眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注和重視，然而已有的文獻(xiàn)主要關(guān)注中小型儲(chǔ)罐及簡(jiǎn)倉(cāng)結(jié)構(gòu)，對(duì)大型變壁厚鋼儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)鮮有涉及。因此，開展大型鋼儲(chǔ)罐風(fēng)荷載和風(fēng)力穩(wěn)定的研究有著迫切的現(xiàn)實(shí)意義與廣泛的應(yīng)用前景。本文主要通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)和有限元分析對(duì)以十萬(wàn)方立式圓柱形鋼油罐為代表的大型鋼儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載和風(fēng)致屈曲進(jìn)行系統(tǒng)的研究，力求揭示這類結(jié)構(gòu)的風(fēng)致屈曲機(jī)理及行為，為大型鋼儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的合理抗

3、風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考和建議。
　　本研究分為九個(gè)部分：第1章介紹本文研究的背景，回顧鋼儲(chǔ)罐及金屬圓柱殼結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載和風(fēng)致屈曲的研究歷史，總結(jié)現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)計(jì)規(guī)定，指出本文工作的出發(fā)點(diǎn)和思路。第2章簡(jiǎn)要介紹流體動(dòng)力學(xué)原理及其數(shù)值解法----計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的基本理論，采用CFD商用軟件Fluent對(duì)十萬(wàn)立方大型鋼儲(chǔ)罐進(jìn)行數(shù)值風(fēng)洞分析，初步了解這類結(jié)構(gòu)的風(fēng)場(chǎng)繞流特點(diǎn)和風(fēng)荷載分布特征，并為后文大型鋼儲(chǔ)罐的風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供參考。第3章針對(duì)十

4、萬(wàn)立方大型鋼儲(chǔ)罐單體條件下的風(fēng)荷載進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，考察三種不同的儲(chǔ)罐形式:敞口儲(chǔ)罐、平頂儲(chǔ)罐和穹頂儲(chǔ)罐;獲得上述三種儲(chǔ)罐的基本風(fēng)荷載數(shù)據(jù)，包括平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓、偏度和峰度，對(duì)風(fēng)壓脈動(dòng)的概率分布進(jìn)行分析并與高斯分布比較;討論頂蓋形式對(duì)鋼儲(chǔ)罐罐壁部分風(fēng)荷載的影響、平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓的相關(guān)性，將獲得的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)和以往相關(guān)研究成果和規(guī)范進(jìn)行對(duì)比，擬合圓柱殼罐壁平均風(fēng)荷載體型系數(shù)的傅里葉公式，以供設(shè)計(jì)應(yīng)用參考。第4章以敞口儲(chǔ)罐為例，通過(guò)519種工

5、況試驗(yàn)，考察群體效應(yīng)對(duì)儲(chǔ)罐表面風(fēng)荷載的影響。試驗(yàn)包括三種典型的排列:兩相鄰儲(chǔ)罐包括串列、并列和錯(cuò)列、三角形三罐排列和正方形四罐排列;重點(diǎn)研究來(lái)流風(fēng)向角和罐群間距對(duì)鋼儲(chǔ)罐風(fēng)荷載分布的影響。第5章簡(jiǎn)述薄殼結(jié)構(gòu)的力學(xué)特點(diǎn)、穩(wěn)定問(wèn)題的基本概念和薄殼結(jié)構(gòu)非線性穩(wěn)定理論的發(fā)展歷程;簡(jiǎn)單介紹圓柱薄殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問(wèn)題的有限元求解方法;概括圓柱薄殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問(wèn)題的分類并提出側(cè)壓穩(wěn)定的概念;以實(shí)際工程中常用的五種圓柱鋼儲(chǔ)罐（容量為2000～50000m3）為例，

6、建立有限元模型，對(duì)其風(fēng)致屈曲的一般行為進(jìn)行分析，討論焊縫缺陷和特征值模態(tài)缺陷對(duì)風(fēng)致屈曲性能的影響。第6章以十萬(wàn)方鋼油罐為研究對(duì)象，建立有限元模型，進(jìn)行大型鋼儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)在平均風(fēng)荷載下的穩(wěn)定分析，包括線性特征值屈曲分析和幾何非線性分析，研究初始幾何缺陷對(duì)鋼儲(chǔ)罐穩(wěn)定性能的影響;討論壁厚腐蝕和儲(chǔ)液高度等基本參數(shù)對(duì)鋼儲(chǔ)罐風(fēng)致屈曲性能的影響;研究群體條件下鋼儲(chǔ)罐風(fēng)致屈曲承載力的變化特點(diǎn)。第7章簡(jiǎn)述結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定性原理和結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定性的實(shí)用判定準(zhǔn)則;采用