Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1. Состояние проблемы. Цель и задачи исследования 7
1.1. Статистика и анализ аварийных ситуаций РВС 7
1.2. Определение перемещений стенки и днища резервуара и нахождение их НДС 11
1.3. Исследования, связанные с неравномерными осадками днища.. 13
Выводы по разделу 1 17
Раздел 2. Определение коэффициента постели для однородного грунтового основания РВС 18
2.1. Устройство грунтовых оснований РВС и технические требования, предъявляемые к ним 18
2.2. Определение коэффициентов постели для днища резервуара малого и среднего объёма 24
2.3 Определение коэффициента постели под подошвой фундаментного кольца резервуара большой вместимости 34
2.4 Влияние области неоднородности грунтов естественного ос нования РВС на определение коэффициента постели для дни ща и фундаментного кольца 44
Выводы по разделу 2 53
Раздел 3. Расчёт изгиба стенки и прогиба днища РВС 54
3.1. Определение изгиба стенки резервуара 54
3.2. Расчет прогиба днища в цилиндрической системе координат . 59
3.3 Расчет осадки днища полосовым методом 66
3.4. Определение прогиба днища при наличии фундаментного железобетонного кольца 75
Выводы по разделу 3 86
Раздел 4. Определение прогиба днища, изгиба стенки и их НДС при наличии области неоднородности в грунтовом основании РВС 88
4.1. Расчёт прогиба днища и изгиба стенки резервуара при наличии в его естественном грунтовом основании области неоднородности 88
4.2. Расчёт перемещений стенки и днища резервуара большого объёма при залегании в его грунтовом основании большой области неоднородности 96
4.3. Определение НДС стенки и днища РВС с учётом существования области неоднородности 99
4.4. Анализ полученных результатов 113
Выводы по разделу 4 119
Общие выводы по работе 120
Литература
- Определение перемещений стенки и днища резервуара и нахождение их НДС
- Определение коэффициентов постели для днища резервуара малого и среднего объёма
- Расчет прогиба днища в цилиндрической системе координат
- Расчёт перемещений стенки и днища резервуара большого объёма при залегании в его грунтовом основании большой области неоднородности
Введение к работе
Стальные вертикальные резервуары (РВС) относятся к категории особо ответственных сооружений, что накладывает особые требования к проведению инженерно - геологических изысканий, строительным работам и дальнейшей эксплуатации резервуаров.
Обеспечение высокой надежности и хорошего- качества на всех этих стадиях является важной и актуальной научно-технической проблемой.
Для основания конструктивных частей резервуара (покрытие, стенка, днище) характерно сложное напряженно-деформированное состояние (НДС), определяемое различными факторами, среди которых одним из решающих является силовое взаимодействие резервуарам его естественным грунтовым основанием.
Влиянию грунтового основания резервуара на перемещения указанных конструктивных частей резервуара и формирование их НДС посвящено значительное число исследований как отечественных, так и зарубежных авторов.
Тем не менее, ряд проблем остаются недостаточно изученными и требуют дополнительных исследований. В частности, не полностью определена динамика развития осадки основания резервуара при сложных инженерно-геологических условиях с учётом реологических процессов в его грунтовом основании; отсутствуют адекватные расчетные схемы, описывающие работу стенок и днища резервуара с учетом значительных удлинений днища, характерных при наличии слабых грунтов; недостаточно выявлены- связи геометрических и силовых характеристик грунтов, слагающих естественное основание резервуара, с механизмом формирования НДС его конструктивных частей [25].
Роль отмеченных проблем существенно возрастает в том случае, когда в грунтовом основании резервуара залегает область неоднородности со сниженными силовыми и деформационными характеристиками.
В этом случае наблюдается неравномерная осадка различных видов,
5 приводящая к увеличению уровня НДС резервуара
Актуальность проблемы. Существующие в настоящее время методы расчета перемещений и НДС конструктивных частей резервуара не в полной мере учитывают деформационные характеристиками его грунтового основания. Дополнительная проблема возникает в том случае, когда в грунтовом основании залегает область неоднородности со своими значениями этих характеристик, что приводит к дополнительной неравномерной осадке днища резервуара и (при определённых вариантах расположения области неоднородности) затрагивает работу уторного узла резервуара, что влияет и на радиальное перемещение стенки. Рассмотрение влияния области неоднородности на прогиб днища и изгиб стенки с соответствующим механизмом формирования их НДС является сложной и актуальной задачей.
Научная новизна состоит в том, что на основе предложенной аналитической зависимости распределения коэффициента постели в области неоднородности разработана математическая модель, позволяющая рассчитывать перемещения конструктивных частей резервуара и уровень их НДС с учётом существования области неоднородности в естественном основании резервуара.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным применением методов механики грунтов, строительной механики, сопротивления материалов, математического анализа, современного компьютерного программного обеспечения, а также сравнением полученных результатов с теоретическими и экспериментальными данными других авторов.
Практическая значимость заключается в том, что результаты выполненных исследований позволяют прогнозировать неравномерное перемещение конструктивных частей резервуара по данным инженерно-геологических изысканий. Разработанная модель также позволяет выявить особенности НДС резервуара с учётом залегания в его естественном основании области неоднородности.
Апробация работы. Основные результаты и научные положения дис-
сертационной работы были доложены на:
5-ой региональной научно-практической конференции «Новые технологии - нефтегазовому региону», г. Тюмень, 2006 г.;
6-я региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Новые технологии - нефтегазовому региону», г. Тюмень, 2006 г.;
всероссийской научно-практической конференции «Нефть и газ в Западной Сибири», г. Тюмень, 2006 г.;
научно-технической конференции «Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли», г. Тюмень, 2007 г.;
региональной научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации систем транспорта», г. Тюмень, 2007 г.
Определение перемещений стенки и днища резервуара и нахождение их НДС
Основные конструктивные части резервуара (покрытие, стенка, днище с окрайкой) находятся.в сложном НДС, сформированном различными внутренними и внешними факторами: циклическим воздействием давления жидкости, ветровой и снежной нагрузкой, неравномерной осадкой основания, температурным влиянием и т. д.
Расчёты РВС первоначально выполняются для нахождения перемещений крыши, стенки и днища резервуара, а затем полученные результаты используются для определения НДС этих частей.
В случае самого общего подхода при расчёте перемещений используется теория оболочек с использованием уравнений в частных производных. В ряде случаев математическое описание процесса может быть существенно упрощено путём перехода к обыкновенным дифференциальным уравнениям.
Расчёту РВС на прочность посвящены работы А. М. Айзена.[1], М. И. Ашкинази [5, 6], В. Л. Березина [9-12], П. П. Бородавкина [13], В. А. Буренина [15], Б. А. Егорова [46], В. В. Любушкина [60], А.Г. Гумерова [9], М. К. Сафаряна [80-82], В. В. Шутова [12, 94], Э. М. Ясина [95, 96]; К. Ковано [97, 100] и др. В этих работах рассмотрены главные предпосылки и основы расчётов НДС резервуаров.
Исследование НДС узла сопряжения стенки и днища (уторный узел) выполнено в работах М. И. Ашкинази [6], В. Б. Галеева [25], Л. В. Березина и В. Е. Шутова [12], А. Ю. Потапова [71], В. К. Вострова и А. А. Катанова [21], М. К. Сафаряна [80-82], Т. Т. Стулова [86], и др.
М. К. Сафарян и О. М. Иванцов [82] рассматривают работу уторного узла с помощью строительной механики (метод сил). Расчёт ведётся в предположении, что днище и стенка представляют собой балки на упругом (винк-леровском) основании, при этом используется фиктивный коэффициент постели для стенки и коэффициент постели грунтового основания для днища резервуара.
При решении задачи принимаются упрощающие предположения, поэтому рассчитанные величины механических напряжений заметно отличаются от экспериментальных, приведённых М. К. Сафаряном в [82], что требует дополнительного изучения условий сопряжения в уторном узле.
А. Ю. Потаповым [74] рассмотрены различные варианты задания граничных условий в уторном узле и показано, что лучшее согласование с натурными наблюдениями достигается в том случае, когда сопряжение стенки и днища выполняется через их взаимный угол поворота и изгибающий момент.
И. П. Петровым [70] также выполнено экспериментальное исследование напряжённого состояния уторного узла, позволяющее оценивать адекватность тех или иных условий сопряжения.
Э. М. Ясиным, В. Л. Березиным, А. Г. Гумеровым, К. Е. Ращупкиным, В. Е. Шутовым в вышеперечисленных работах рассмотрена устойчивость верхних поясов резервуара под влиянием веса покрытия.
Вопросы определения НДС днища резервуара рассмотрены в работах П. П. Бородавкина [13], М. С. Иштирякова [28, 53], Л. В. Кротковой, В. В. Любушкина [29, 60], В. А. Буренина [15], Ф. Ш. Юсупова [22, 27], Э. М. Ясина [96] и др., в результате чего получены зависимости и формулы, позво яющие определять максимальные напряжения в днище в зависимости от его осадки.
С увеличением геометрических размеров резервуара уменьшается жёсткость конструкций, т. е. увеличивается "податливость" отдельных его элементов. Так как при сооружении резервуаров обычно используются высоко-прочные стали, то толщина стенки, определяемая через гидростатическое давление жидкости, оказывается весьма малой, что требует исследований локальной устойчивости стенки на вертикальную (продольную) и горизонтальную (поперечную) нагрузки, вакуум и избыточное давление. [103]
В работе М.И.Ашкинази и Б.А.Егорова [5] приводятся результаты исследований, касающиеся НДС резервуаров при увеличении их геометрических размеров. Показано, что с увеличением радиуса резервуара моментное состояние стенки, возникающее в области сопряжения двух поясов различной толщины, распространяется по всей высоте пояса и понятие длины краевого эффекта в этом случае является условным.
Определение коэффициентов постели для днища резервуара малого и среднего объёма
Формирование напряжений и соответствующих деформаций в грунтовой толще основания резервуара определяется следующими факторами: - характером и режимом нагружения грунтового массива; - инженерно-геологическими и гидрогеологическими особенностями площадки строительства; - литологическим составом и физико-механическими характеристиками грунтов, слагающих естественное основание резервуара.
В ряде случаев в основании могут наблюдаться реологические процессы, обусловленные фильтрационной консолидацией (в случае наличия полностью водонасыщенных грунтов), ползучестью скелета грунта и т. д. Следует отметить, что в любых грунтовых массивах уже имеется начальное напряжённое состояние, возникшее под действием собственного ве 25 са грунта (природное или бытовое давление). При воздействии нагрузки от построенного и заполненного резервуара в грунтах возникают дополнительные напряжения с , которые накладываются на собственные напряжения. Для линейных моделей работы фунтового основания резервуара выполняется принцип суперпозиции, позволяющей рассчитывать напряжение в фунтовом массиве от действия собственного веса фунта аг и нафузки тг р, создаваемой резервуаром, независимо друг от друга и определять результирующее напряжение а2 суммированием полученных результатов.
При расчёте напряжений и осадок фунтового основания резервуаров используется расчётная схема, приведённая на рисунке 2.3. Рис.2.3. Расчетная схема для определения осадки днища: 1 - крыша резервуара; 2 - стенка; 3 - днище; 4 - железобетонное фундаментное кольцо; рж - давление столба жидкости высотой Нж\ q — контактное напряжение под днищем (реактивный отпор фунта); N - вес резервуара без днища и жидкости на единицу длины перимефа
Фундаментом резервуара является его днище и фундаментное кольцо. Под воздействием давления жидкости рж под подошвой фундамента возникают нормальные реактивные напряжения q с определённым видом радиального распределения, при этом суммарный отпор грунта под днищем и опорным кольцом равняется полному весу заполненного резервуара.
Для нахождения осадки резервуара решаются следующие задачи [25]: 1. нахождение контактного напряжения q под днищем резервуара и фундаментным кольцом; 2. определение вертикального распределения сжимающего напряжения аг в грунтовом основании резервуара (рис. 2.4); 3. вычисление вертикального напряжения azg от собственного веса грунта (природное или бытовое давление).
Рис.2.4. Распределение вертикальных напряжений в основании резервуара от внешней нагрузки рж и собственного веса грунта у : т - распределение напряжений от внешнего давления рж по центру резервуара (кривая 1) и по его периметру (кривая 2); аг g = угрг - распределение напряжения от собственного веса грунта; D,R - диаметр и радиус днища резервуара; Нс - величина сжимаемой толщи Наиболее простой является 3-я задача, решение которой соответствует определению давления жидкости для гидростатической задачи. Если основание резервуара сложено различными слоями грунтов с толщинами Щ, Н2, Н3,...Н1,... и объёмными весами ух, у2, у3,...., yt,..., а вертикальная координата z находится внутри слоя Н1+1 с индексом (/ +1), то природное давление JZ вычисляется по формуле: где п — число слоев, лежащих выше слоя с индексом (і +1). Для водонасыщенных грунтов объёмный вес yt вычисляется с поправкой на взвешивающее действие воды [25].
Как следует из формулы (2.2), зависимость a2g носит линейно-кусочный характер; в случае одинаковых значений yt распределение JS является прямолинейным (рис. 2.4).
Перейдём к рассмотрению первой и второй задачи.
Характер распределения контактных напряжений зависит от жесткости и диаметра (радиуса) днища, а также от жесткости (податливости) грунта основания. Критерием жесткости круглой плиты служит показатель гибкости S, который по Горбунову-Посадову [38] вычисляется как l_v2 Е R3 5 3-!—Ц - =-, (2.3) 1-V Е h3 где Е , vzp- модуль деформации и коэффициент Пуассона грунта; Е, v — модуль упругости и коэффициент Пуассона материала плиты; R, h — радиус и толщина плиты. Различают три случая, отражающие характер взаимодействия круглой плиты и упругого основания [38]: а) S 0,5 - плита считается абсолютной жёсткой; б) 0,5 S 10 — плита имеет конечную жёсткость;
Расчет прогиба днища в цилиндрической системе координат
Расчет стенки и днища РВС, несущие элементы которых представляют собой сварные листовые конструкции, опирается, на теорию оболочек.
Однако не всегда основные положения теории оболочек могут быть применены напрямую к расчету РВС, что объясняется спецификой конструкций последних [80].
Это обусловлено тем, обстоятельством что РВС представляет собой сложные сварные листовые конструкции, состоящие из листов разных толщин и соединенные смешанными сварными швами — встык и внахлест.
Кроме того, при гибкие, монтаже и сварке листов поверхности резервуаров приобретают неровности и начальные отклонения, вследствие чего РВС не имеют гладкой поверхности, соответствующей какой-либо плавной кривой, которую принимают в расчетах по теории оболочек [80].
Следовательно, применение теории оболочек, основные положения которой базируются на рассмотрении геометрически правильных гладких поверхностей, может дать недостаточную точность расчетов, что подтверждается экспериментальными наблюдениями. При этом сами начальные отклонения не всегда подчиняются определенным закономерностям и поэтому их учет является весьма затруднительным.
Другая особенность сварных листовых конструкций заключается в наличии различных сопряжений (стыков), врезок, отверстий, пересечений, которые создают зоны концентрации напряжений или области «краевого эффекта», что еще больше увеличивает неоднородность напряженного состояния конструкций и способность к дополнительным деформациям, в результате чего в зонах краевого эффекта могут возникнуть местные пластические деформации, в то время как сама та или иная конструкция резервуара находится в стадии упругой работы. Положение еще больше осложняется при отрицательных температурах, когда (вследствие склонности стали к хрупко-му разрушению) наличие начальных дефектов приводит к появлению трещин, хотя в целом уровень напряженного состояния конструкции может быть сравнительно низким [80].
Поэтому при изучении работы несущих конструкций РВС необходимо, в общем случае, рассматривать все стадии напряженного состояния конструкции — упругую, упруго-пластическую и предельную, поскольку вследствие неравномерности напряженного состояния все три стадии могут существовать одновременно.
Важно отметить, что в настоящее время многие вопросы, относящиеся к практическим методам расчета РВС, являются достаточно изученными и экспериментальноподтвержденными.
К ним относятся: расчет стенки резервуаров с постоянной толщиной на прочность и устойчивость; расчет сопряжения стенки с днищем, взаимодействующем с основанием РВС по гипотезе Винклера; расчет стенки резервуара на прочность с учетом ее переменной толщины; расчет всех типов покрытий резервуаров по безмоментной теории [80].
Некоторые из этих вопросов получили дальнейшее развитие в диссертационной работе.
С целью уменьшения металлоемкости конструкция вертикальной стенки носит «телескопический характер», т. е. стенка имеет несколько поясов, толщина которых уменьшается в вертикальном направлении вверх. Первый пояс стенки имеет сопряжение с днищем резервуара (уторный узел или утор). Сопряжение может быть прямым (непосредственно с днищем) или косвенным (через окраечное кольцо). приведены некоторые технические характеристики РВС с величинами снеговой нагрузки Рсн до 0,002МПа и ветровой нагрузки Рв доО,0015МПа[25]. Как следует из таблицы 3.1, резервуары с малой вместимости имеют стенку с постоянной толщиной, а для резервуаров достаточно большого объ 56 ема усиление стенки проводится путем увеличения толщины для первых поясов. Таблица 3.1 Технические данные некоторых РВС s" 3ID О 3 2кяво SCQ Толщина стенки по поясам, мм з1чяЯч о Н Масса, т I Л Ш IV V VI vn УЖ 1 1 і І 1.000 123 8,94 5 5 5 5 5 5 - 4 3,78 3,8 6,7 26,4 5.000 22$ 11,92 9 8 7 7 7 7 7 7 5 195 50,1 23,4 100,2 30.000 45(5 11,92 13 12 12 12 12 12 12 12 б 84J0 164,7 103,0 390,8 нъ=н ж Щ Ш Рис. 3.1. Расчетная схема для определения изгиба стенки РВС: 1 - стенка резервуара; 2 -днище; Ні - протяженности участков с постоянной толщиной стенки 5,; Wu - величина изгиба стенки на этих участках (/=1;2;3) Для расчета изгиба стенки из нее вырезается вертикальная полоса единичной ширины Ь0=1м. На рисунке 3.1 показаны три участка такой полосы, имеющие различные толщины (участок может состоять из одного или нескольких поясов, если они имеют одинаковую толщину). Если ввести вертикальную ось OxZ с началом координат в уторном узле, то уравнения изгиба отдельных участков стенки с учетом изгибных напряжений (моментиая теория оболочек) имеют вид:
Расчёт перемещений стенки и днища резервуара большого объёма при залегании в его грунтовом основании большой области неоднородности
Дополнительный прогиб днища, рассмотренный в параграфе 4.1, был вызван относительно небольшой неоднородностью, не влияющей на осадку фундаментного кольца вследствие значительной жёсткости последнего.
Перейдём к варианту 4, когда характерный размер неоднородности Rn сравним с радиусом R (рис.4.6). Снова рассмотрим наиболее опасный случай, при котором центр неоднородности лежит в области уторного узла. Зна чительная протяженность дуги ЛВ приводит к тому, что на этой длине фундаментное кольцо не может считаться абсолютно жестким и переменное значение коэффициента постели к- на дуге приводит к дополнительной осадке кольца на этом участке, которая вызывает изменение в прогибе днища и в его напряжённом состоянии. где, в квадратных скобках стоит множитель, учитывающий переменное значение коэффициента постели в зависимости от координаты s. При s=0 и s = s0 этот множитель равен единице, что соответствует определению области неоднородности.. В уравнение (4.11) входит изгибная жесткость кольца D :-r-r : : (4Л2): 12 X—vl средний" коэффициент постели кгр за.пределами: области неоднородности, коэффициент пК, определяющий вариацию к и приведённое давление на. кольцо . Краевые условия для уравнения (4.11) записываются в виде: 4(P) = JVK(s0) = SK; H(G) = Wi(so) = 0, (4.13). где \SK - осадка кольца за пределами области неоднородности.
В качестве дополнительного условия принимается, что угол в при прогибе опорного кольца; в области неоднородности не меняется, т.е. подошва кольца в этой области перемещается параллельно самой себе. В таком случае в качестве WK{s) можно сразу взять осадку WB(s) точки В, а величину SK считать равной осадке WB в случае отсутствия неоднородности (таблица 3.4). В соответствии с указанными замечаниями величина приведённого давления в правой части уравнения (4.11) равняется рК =к - .Поскольку, как отмечалось выше, наибольшее влияние области неоднородности достигается в центре Он, близкой для третьего и четвёртого вариантов к точке В, то при последующих расчётах выбиралась горизонтальная полоса днища с центральной осью, проходящей через точки О и Он.
На основе полученного решения системы уравнении (4.11) и (4.13) наг ходилось величина перемещения WB, которое затем использовалось в первом краевом условии (4.10) вместо величины SB .Таким образом, вариант 4 сводился к варианту 3 с переменным значением величины SB. Относительные вариации коэффициентов постели к и к считались равными между собой, расчёты проводились при следующих исходных данных [25]: к=2-104МПа; vK = 0,1 -0,25м; DK = 2,66-107Н-м. (4.14) Для радиуса области неоднородности принимались значения RH = (3;6;9)м, что соответствовало s0 = (6;12;18)м и углу опирання р0 в 15, 30 и 45 (рис. 4.6). Результаты вычислений приводятся в таблице 4.4, графики изгиба стенки и прогиба днища аналогичны зависимостям на рисунках 3.12 и 3.13. Наличие области неоднородности в большей степени влияет на напряжённое состояние окрайки и днища резервуара по сравнению с напряжённым состоянием стенки вследствие постоянства кольцевого и изгибного напряжений.
