GB12337-2014《 鋼制球形儲罐》中引入了 分 析 設 計 技 術 方法，對球罐的材料、計算、 制造等方面提出相應的要求。支柱穩(wěn)定性計算仍舊采用了基于GB50017-2003《鋼結構設計規(guī)范》中 的 舊 算 法。ANSIAISC360-10美國鋼結構規(guī)范中提出了基于直接分析設計法的構件穩(wěn)定性新計算方法。我國的 GB50017-xxxx《鋼結構設計規(guī)范》征求意見稿中也提出了構件穩(wěn)定性的直接分析設計法，穩(wěn)定性安全系數(shù)取為 2.0。以廣西某公司一萬方丁烷球罐為例，應用GB12337-2014《鋼制球形儲罐》和直接分析設計法對該球罐的支柱穩(wěn)定性進行了分析計算。
球罐設計應考慮設計壓力、自重、風載、地震載荷、耐壓試驗壓力等載荷的影響。球罐操作介質丁烷密度為 600kg/m 3 ，為試驗介質水密度的 60%。根據(jù)以往的球罐設計經(jīng)驗，對于此種介質的設備，球罐支柱穩(wěn)定性校核結果由壓力試驗工況決定。為了討論支柱尺寸對支柱穩(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《鋼制球形儲罐》和直接分析設計法對球罐的支柱穩(wěn)定性進行分析計算。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?。ㄖе鈴阶兇螅?，支柱當量壓縮應力變小，支柱穩(wěn)定性評定結果從“不能通過”到“通過”，支柱穩(wěn)定性變好。
直接分析設計法
應用大型通用有限元分析軟件ANSYS12.0，建立有限元模型進行分析計算。 球殼內壁考慮 1.5mm的腐蝕裕量和 0.3mm 的鋼板負偏差。 球 殼 內 直 徑 26,803.6mm，球 殼 厚 度 取 有 效 厚 度 32.2 mm。球罐整體結構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（SOLID186）單元，單元數(shù) 12,684。上、下支柱和耳板用四邊形 8 節(jié)點（SHELL281）單元， 單 元 數(shù) 62,776。 拉 桿 用 2 節(jié)點（LINK8）桿單元模擬，單元數(shù)28。球罐整體結構有限元模型網(wǎng)格節(jié)點數(shù) 270,808。
支柱尺寸首先按照 φ968×16mm進行建模計算?？紤]附件、雪載荷、厚度附加量等的重量，球殼當量材料密度 8,710 kg/ m 3 ，（鋼結構材料密度 7,850kg/m 3 ）。支柱下端按固支邊界處理，約束了三個方向的位移。 球殼內壁施加水壓試驗壓力，施加縱向向上加速度載荷。設置材料為理想彈塑性材料，打開大變形選項。經(jīng)過有限元非線性計算，可得球罐水壓試驗工況整體失穩(wěn)變形，支柱局部失穩(wěn)變形，支柱局部塑性應變與縱向向上加速度載荷呈現(xiàn)變化關系，球罐水壓試驗工況支柱穩(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。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 進行非線性計算，得出球罐各支柱尺寸下的穩(wěn)定性計算結果。
通過幾組支柱尺寸的計算結果表明：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?。ㄖе鈴阶兇螅е€(wěn)定性臨界載荷變小，臨界載荷比變小，支柱穩(wěn)定性評定結果從“通過”到“不能通過”，支柱穩(wěn)定性變差。
計算結果分析
依據(jù) GB12337-2014《鋼制球形儲罐》和 ANSYS 有限元直接分析設計方法，對 10,000m 3 丁烷球罐支柱穩(wěn)定性進行了計算。結果表明， 兩種方法得出的結論并不一致。依據(jù) GB12337 標準的計算結果表明， 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計法的計算結果表明，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 標準中的計算方法是基于 GB50017-2003《鋼結構設計規(guī)范》中壓彎構件的計算方法，這種方法考慮到了橫截面抗彎模量 Z，彎矩作用平面內軸心受壓的支柱穩(wěn)定系數(shù) 等因素的影響，但是無法考慮到構件的局部結構失穩(wěn)問題。雖然支柱減?。ㄍ鈴阶兇螅?會使橫截面抗彎模量 Z 變大，但是支柱減薄會使支柱局部位置，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計法考慮了材料非線性、 幾何非線性的影響，通過建立合理的有限元計算模型進行非線性計算可以計算出支柱失穩(wěn)的具體位置，畫出載荷響應曲線，得出支柱失穩(wěn)的臨界載荷，應該是更為準確、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程中，必然會產(chǎn)生一定的垂直度偏差，支柱的垂直度偏差會對球罐支柱的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。GB12337-2014《鋼制球形儲罐》中規(guī)定：當支柱高度H 大 于 8,000mm 時， 在 球 罐 徑向和周向方向的垂直度允許偏差△（ △ =|a1-a2|）， 應 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，對該有限元模型進行調整。首先施加側向加速 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 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，進行非線性穩(wěn)定性計算，可以得到一系列側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，對該有限元模型進行調整。以球罐豎直軸線為軸，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，進行非線性穩(wěn)定性計算，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，對該有限元模型進行調整。首先施加一系列的位移約束（支柱中心圓變?。?，計算后再應用 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，進行非線性穩(wěn)定性計算，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。
通過幾組計算結果顯示，當支柱的垂直度偏差在 GB12337-2014《鋼制球形儲罐》要求范圍內時，側向、周向和徑向垂直度偏差對支柱的穩(wěn)定性臨界載荷沒有明顯的影響。分析認為，10,000m 3 丁烷球罐支柱中心圓直徑為 26,800mm，支柱外徑達到 1,000mm 左右，標準要求的支柱垂直度偏差≤ 15mm是較為嚴格的，對球罐整體的穩(wěn)定性沒有大的影響。
相比 GB12337-2014《鋼制球形儲罐》 中支柱穩(wěn)定性的計算方法，ANSYS 有限元直接分析設計方法是更準確、合理的。GB12337-2014《鋼制球形儲罐》標準中要求的支柱垂直度偏差要求是保守的、安全的。球罐的設計除了考慮穩(wěn)定性，還應該考慮局部位置，特別是支柱與球殼連接處的強度的問題。在滿足穩(wěn)定性、強度等條件下，合理選取支柱的規(guī)格尺寸，使球罐支柱的設計安全、合理、經(jīng)濟可靠。
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