三角形板式节点式钢网壳在大型储罐上的应用_毛伊锋.pdf

156|2023年02月工程与施工0 引言在石油化工产业发展的过程中，石油储罐的规格不断增加，其逐渐朝向大型化与群体化发展。随着施工现代化技术的不断进步，大型拱顶储罐的构建技术以及钢网壳结构成为影响储罐日常运行状态的重要因素1-2。拱顶储罐结构对于储罐的稳定性与安全性具有直接影响，因此在设计过程中需要对其进行系统分析，并根据此分析结果构建网壳结构。对大型拱顶储罐的施工环节进行分析后可以看出，钢网壳在此类储罐中的应用越来越广泛，具有极高的应用价值。当前，三角形板式网壳在多个大型石油库得到应用。但对大量案例进行分析后发现此类网壳容易出现基础结构失稳的问题，导致三角形板式网壳破损、坍塌，造成不必要的人员伤亡与经济损失3-4。因此，如何对此网壳结构进行优化，亟需设计出更为优质的钢网壳结构。根据文献与案例研究结果，在以往的研究中提出了三角形板式节点式钢网壳，此类网壳的基础结构设定为节点拼接式与三角形板式结构相结合，进一步提升了钢网壳的抗失稳能力5。为确定此类型网壳在大型储罐中具有较高的应用价值，保证储罐运行的安全性，在此次研究中，展开三角形板式节点式钢网壳在大型储罐上的应用研究，希望通过此次研究为大型储罐的设计过程与施工过程进行优化，在当前大型储罐设计施工的基础上，提升储罐稳定性，促进石油化工产业的发展。1 网壳顶静力计算为保证三角形板式节点式钢网壳应用后具有较工程与施工三角形板式节点式钢网壳在 大型储罐上的应用毛伊锋(宁波大榭开发区信海油品仓储有限公司，浙江 宁波 315000)摘要：随着网壳在大型储罐中的应用越来越广泛，针对传统三角形板式钢网壳基础零件存在失稳，导致钢网壳整体结构稳定性较差问题，展开三角形板式节点式钢网壳在大型储罐上的应用研究。计算网壳顶静力，为节点式钢网壳数值设计与施工提供基础。使用 Xsteel 模型构建零件参数化模型，预制节点式钢网壳构件。设定三角形板式节点钢网壳安装工序，实现三角形板式节点式钢网壳在大型储罐的设计安装，构建实验环节，实验结果表明：三角形板式节点式钢网壳可有效提升节点稳定性，进一步降低网壳刚度形变量与网壳可承受最大应力，保证拱顶式储罐在运行过程中的安全性。关键词：大型储罐；三角形板式网壳；节点式钢网壳；力学分析；稳定性分析；拱顶储罐中图分类号：TE821 文献标志码：A 文章编号：1008-4800(2023)09-0156-05DOI:10.19900/ki.ISSN1008-4800.2023.09.043Application of Triangular Plate Type Node Type Steel Mesh Shell in Large Storage Tank MAO Yi-feng(Ningbo Daxie Development Zone Xinhai Oil Storage Co.,Ltd.,Ningbo 315000,China)Abstract:With the increasing application of mesh shell in large storage tanks,the application of triangular plate nodal steel mesh case in large structure of steel mesh shell is poor due to the instability of steel mesh shell in large storage tanks.Calculating the static force of mesh shell provides a foundation for the numerical design and construction of nodal steel mesh shell.Using the Xsteel model to build the part parametric model,prefabricated nodal steel mesh shell members.Set the installation process of triangular plate type node steel mesh shell to realize the design and installation of triangular plate type node type steel mesh shell in large storage tank.In the experimental link,the experimental results show that the triangular plate nodal steel shell can effectively improve the node stability,further reduce the stiffness variable and the maximum stress of the shell,and ensure the safety of the vault storage tank in the operation process.Keywords:large storage tank;triangular plate mesh shell;nodal steel mesh shell;mechanical analysis;stability analysis;vault storage tank2023年03月|157高的稳定性，此次研究中首先对网壳顶静力展开计算，根据薄壳结构计算理论6，通过相应的弯矩刚度建立基本方程，而后根据边界条件方程展开测算。此次研究中对上述测算过程进行了简化处理，在有限元软件中，根据网壳节点构造与受力特点，对网壳结构静力展开测算，具体测算方程设定如下：KL=W(1)式中：K 为网壳结构总弹性刚度矩阵；L 为网壳结构节点位移向量；W 为网壳结构节点荷载向量。在公式(1)的基础上，将网壳分离出来进行单独建模分析，并将边界条件设定为周边固定约束条件。应用上述设定将网壳基础结构的刚度设定为无限大，缩减计算结果与真实结果的差异。与此同时，将网壳中应用的杆件设定工字钢结构，进一步提升网壳模型的真实性。在网壳顶静力的计算过程中，需要对各零件节点处的应变数据进行统计，为提升测算结果的可靠性，此次研究中将其划分为基础节点与罐圈底层节点两部分，其应变数据计算公式设定如下：1212(+)=1Ecc(2)2122()1Ecc+=(3)式(2)(3)中：1为基础节点应力测算值；2为罐圈底层节点应力测算值；E 为泊松比；1为基础材料弹性模量；2为杆件弹性模量；c 为零件密度。应用上述公式，对网壳基础材料的应力进行计算分析，将此计算结果与公式(1)计算结果进行融合分析，将其作为三角形板式节点式钢网壳安装工作的基础。2 节点式钢网壳构件预制按照相关网壳质量要求，结合静力测算结果，构建三维网壳模型，将储罐的相关参数带入此模型中进行二次深化，完成网壳基础构件预制加工。在对以往的节点式网壳零件进行加工时，铸钢件约为 1 500 件，杆件约为 7 000 件7-8。由于在网壳施工过程中应用了大量的铸钢节点，导致三角形板式节点式网壳在应用过程中无法满足大型储罐的外观要求，同时还会影响整合网壳施工效率，并存在相应的形变隐患。为此，需要对其进行深化设计，通过控制网壳零件加工的形式，将其与储罐基础结构紧密结合，进一步提升节点式网壳在大型储罐中的应用质量。此次研究中，将各个方向的弹性刚量9-10进行计算，根据此数据对单一零件的构建参数进行优化。刚度计算过程如下所示：Flp=(4)式中：F 为三角形板式节点式钢网壳应用在储罐上的单位力；l 为钢网壳的刚量；p 为钢网壳在外界环境下发生的形变量。应用式(4)，对网壳零件可能发生的形变量进行计算，并将此形变量与大型储罐可接受的形变量进行对比，确定网壳零件参数的合理性，将按照计算结果完成网壳零件加工。在零件压制的过程中，确定零件制造材料具有质量合格书。与此同时，杆件零件整体无变形，边缘无毛刺，制造完成的尺寸符合形状差要求，且节点板零件的板孔角度误差以及偏心距误差符合当前要求。在基础零件的预制过程中，需根据模型制作样板，确保尺寸准确后，使用 Xsteel 模型11，对节点网壳进行参数化建模，提取相应的零件数据，而后对其进行编程，生成最终的零件数量。零件拼接过程按照中心圆柱、基础节点以及边缘节点的顺序进行拼接。整体框架拼接完成后，根据大型储罐现场工况，应用塔吊进行基础钢结构安装，为后续的罐顶拼接施工提供基础。网壳是对称均布的，根据预设的施工方案将材料分别放置到大型储罐的两侧。根据储罐罐顶的承重能力，一次性完成材料拼接。如出现材料重量超出罐顶重量的情况，在一圈节点结构安装完成后，再对第二批材料进行吊运。3 三角形板式节点钢网壳安装此次研究将三角形板式节点钢网壳的安装施工环节划分为两部分，分别为网壳杆件安装以及锥板安装。在现有网壳安装施工环节的基础上进行优化，为节点式钢网壳安装提供基础。由此次研究中应用三角形板式节点式网壳对大型储罐进行铺设，根据预先计算结果确定下层杆件的工程与施工158|2023年03月安全高度以及拱起高度。因此，将下层网杆作为首要安装结构，此结构安装完成后，分别对边节点、上网杆与下网杆进行焊接与防腐修补。在施工过程中首先根据各节点的弧长度在罐壁上绘制出现，而后应用水平仪储罐横轴与纵轴的水平基准面中绘制等分线，各等分线交汇点为杆件连接后的交点位置12-13。确定工件的交点位置后将相关零件按照施工序号焊接到指定的位置上，同时对焊接后的零件连接情况进行复核。网壳各零件的焊接处需要进行手动除锈，上述操作环节完成后，根据现行防腐要求对除锈部分进行修补。上述设定内容施工完成后，对储罐的最上圈接口进行水平度测量，测量结果允许偏差值设定为 20 mm。根据此测量结果安装支持板，由于储罐多为圆柱体，因此在安装支持板时按照圆周对其划分，并根据顺时针顺序完成安装过程14-15。严格控制支持板安装顺序，确保焊接后角度为统一恒定数值。在进行边环梁安装时，首先在边环梁内部绘制罐壁外壁的安装弧线，并预先设定好锥形板的位置线。在安装的过程中，储罐的内壁与外壁弧线走向一致，不会出现圆周误差，以此保证钢网壳外部的圆度与储罐圆度一致。按照上述内容，完成三角形板式节点式钢网壳在大型储罐上的安装工作。4 实验论证分析此次研究中对三角形板式节点式钢网壳在大型储罐上的应用过程进行了设定，为保证三角形板式节点式钢网壳应用后效果进行实验分析，以保证钢网壳对大型储罐具有保护作用。4.1 实验对象概况此次研究中将某浮顶储罐作为实验对象，此储罐 具 有 3 种 容 量，分 别 为 15 000 m3、20 000 m3、25 000 m3，此部分储罐设计参数设定如表 1 所示。表1 浮顶储罐设计参数序号参数名称取值结果序号参数名称取值结果CS01储罐类型内浮顶CS08储存介质航煤CS02储罐数量/个1CS09介质操作温度/040CS03网壳数量/个1CS10网壳蒙皮厚度/mm6CS04储罐内径/m39CS11地震设防烈度/度7CS05罐壁高度/m23.3CS12设计压力/kPa-0.33.0CS06椎板厚度/mm24CS13当地基本风压/kPa0.85CS07当地基本雪压/kPa0.30CS14介质密度/(kg/m3)775830此储罐基础材料设定如下：(1)网杆：HN15075，Q235B；(2)节点板：钢板厚 10 mm，Q235B；(3)支座：组合件，Q235B；(4)紧固件：M1235，8.8 级镀锌。对上述数据进行整理，对实验目标进行初步探析。根据上述数据，对网壳的安装荷载以及部分外力荷载作用下的内力、位移以及稳定性进行计算分析，以保证三角形板式节点式钢网壳在大型储罐上的应用效果符合预设目标。4.2 网壳设计根据实验对象概况，对三角板式节点式钢网壳的基础参数展开设定。采用螺栓连接钢网壳节点中的主要部件，使用寿命为 20 年。在设计过程中，要求节点与杆件的刚度及强度一致，且同时满足节点连接强度大于杆件连接强度的要求。根据上述原理，将钢网壳的设计参数设定如表 2 所示。按照上述参数，构建三角形板式节点式钢网壳，此网壳基础结构如图 1 所示。为对实验中应用的钢壳进行细致的运算，将其与罐顶圈梁进行融合运算，确定此网壳的截面积与基础面积。而后，将图 1 内容与计算结果导入的有限元分析软件中，对此网壳应用后的力学指标进行分析。2023年03月|1594.3 钢壳稳定性实验在此次研究中使用荷载位移迭代方程对钢壳稳定性展开计算，具体计算公式设定如下：()(1)iittttt+=A RGN(5)式中：tA为在单位时间内网壳结构的切线刚度矩阵；()iR为当前时刻下的位移迭代增量；tt+G为tt+时刻外部环境对节点施加的荷载向量；(1)itt+N为tt+时刻网壳节点自身的内力向量。将此公式导入有限元分析软件中，并根据此对网壳节点的形变数据进行计算。在实验测算的过程中应将网壳曲面安装变差作为重要参考条件之一，因此可对原始网壳结构进行分析，取第一阶失稳数据作为结果输出。此次实验中将 JGJ 72010空间网格结构技术规程 第 4.3.4 条的规定作为评定指标，如测试结果符合此规定则说明三角形板式节点式钢壳稳定性较强，具体实验结果如图 2 所示。对图 2 中实验结果进行分析可以看出，当节点式网壳应用后，其整体失稳荷载为 57 000 N。针对不同容量的储罐，节点式钢网壳应用后均可得到较高的稳定性。根据相关规定计算得到节点式网壳的安全系数为 4.7 左右，远远大于规定中的 4.2。综上可知，节点式网壳稳定性满足相关规定，说明此结构稳定性良好。4.4 网壳刚度形变实验确定网壳稳定性后，在原有实验环境中对网壳刚度形变量进行分析，根据 JGJ 72010 第 3.5.1 条，对网壳的最大允许计算形变量进行分析，所得结果为 76.25 mm。在外部一致的前提下，从网壳中选取 10 个测点，测试网壳的刚度形变数据，具体实验结果如表 3 所示。对表 3 数据进行分析后可以发现，节点式钢壳应用后，其在稳定的外部荷载条件下，最大竖向形变为22.17 mm，远小于规定中的 76.25 mm。且在三种不同储量的储罐中，整体波动较小，未出现测点测定结果激增或激降的问题，三种不同储量的储量应用此网壳后，形变量均未超出 JGJ 72010空间网格结构技术规程 第 3.5.1 条的规定数值。上述实验结果可以确定，节点式网壳的抗形变能力相对较高。4.5 网壳可承受最大应力实验在网壳基础结构设定完成后，其罐顶圈梁的最大应力与杆件的最大应力一直是影响网壳应用效果的重要因素。因此，此次研究将其作为网壳设计应用评定指标之一。在对网壳的设计要求进行分析后确定了应力最大允许值为 215 MPa。根据网壳的设计参数对图1 三角形板式节点式钢网壳基础结构表2 三角形板式节点式钢网壳设计参数序号参数名称取值结果序号参数名称取值结果RS01静载/Pa自重300RS06试验压力/Pa正压2 200，负压1 320RS02附加荷载/Pa1 200RS07罐顶温度/90RS03当地基本雪压/kPa0.60RS08地质烈度7RS04当地基本风压/kPa2.00RS09场地土类别IVRS05操作压力/Pa正压2 000，负压500图2 钢壳稳定性实验结果工程与施工160|2023年03月不同储罐中的杆件应力以及罐顶圈梁应力进行测算，具体测试结果如表 4 所示。表4 网壳可承受最大应力实验结果 单位：MPa应力指标15 000 m3储罐 20 000 m3储罐 25 000 m3储罐杆件应力100.0100.5104.3罐顶圈梁应力145.7156.5174.9从表 4 中数据可以看出，节点式网壳设计完成后，其杆件应力最大值 104.3 MPa，罐顶圈梁的最大应力为 174.9 MPa，两者取值结果均效果应力最大允许值为 215 MPa。此计算结果说明节点式网壳设计结果具有合理性，可进一步提升钢壳的稳定性，缩减外界荷载对网壳的影响，降低其刚度形变量。5 结语此次研究通过施工环节设定的方式，对三角形板式节点式钢网壳的应用过程进行设计，并设定实验环节对其应用效果进行分析。由于时间与技术方面的限制，本次研究还存在一定的局限性，实验结果不具备代表性，日后的研究中还需进行多轮测试，对网壳整体的稳定性进行进一步研究。与此同时，此次研究中设定部分计算环节，在计算的过程中容易消耗大量的时间与精力，不利于此类型钢网壳结构的推广与应用，在后续的研究中还需对其进行完善与优化。参考文献：1 李凌雁,严擒龙,温宇腾,等.大跨度悬垂脊线曲面钢网壳深化节点优化探讨J.建筑技术,2022,53(08):997-1001.2 程旭东,甄聪,艾金兴,等.一种新的大型LNG 储罐钢穹顶稳定性分析方法J.中国石油大学学报(自然科学版),2022,46(02):168-175.3 李志强.节点刚度对单层球面钢网壳极限承载力的影响J.建筑结构,2021,51(S1):610-614.4 何海玉,袁波,马信欣,等.倒三角形截面板管连接式钢圆弧拱在平面内的稳定承载力研究J.应用力学学报,2021,38(01):216-224.5 曹鹏,吴梦军,习阳,等.火灾高温下钢壳混凝土结构温度传递规律研究J.地下空间与工程学报,2020,16(S1):323-328.6 罗惠平,张怡,苏振华,等.国家速滑馆项目天坛轮廓曲面玻璃幕墙钢网壳施工技术J.施工技术,2020,49(10):16-19.7 李志强.节点刚度对单层球面钢网壳极限承载力的影响J.建筑结构,2021,51(S1):610-614.8 史雨晨,苏暐光,宋旭东,等.OMB 气化炉中托砖架热应力的数值模拟和尺寸优化J.煤炭转化,2021,44(05):73-80.9 程旭东,甄聪,艾金兴,等.一种新的大型LNG 储罐钢穹顶稳定性分析方法J.中国石油大学学报(自然科学版),2022,46(02):168-175.10 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