基礎沉降發展對球罐結構影響的分析研究

王 凱，劉文才，關國偉

（中國石油集團安全環保技術研究院有限公司，北京 102206）

球形儲罐（簡稱球罐）是一種鋼制容器，在石油化工行業中被廣泛用于儲存液態或氣態物料。與立式圓筒形儲罐相比，在體積相同的情況下，球罐的表面積小、鋼材用量少；在直徑相同的情況下，球罐殼體內力小、受力均勻且承載能力強。隨著生產的需要，球罐大型化發展給球罐的設計、制造和安裝提出了更高要求。基礎沉降是工程建設中不可忽視的問題［1-2］，尤其對大型球罐，其每個支柱下面都是獨立基礎，基礎不均勻沉降現象更容易出現，因此研究基礎沉降對球罐殼體及支柱的影響是十分必要的［3-15］。

文中以某煉油化工廠2 000 m3的儲液球罐為例，針對球罐在一個方向由單點沉降到三點沉降、再逐漸發展至整體傾斜過程，分析球罐各組成部分的應力變化規律，以期為球罐的設計及以安全監測提供技術支持。

1 球罐基礎沉降方式

在一般情況下，根據地層和地基處理的情況難以預測獨立基礎發生沉降的情況。球罐基礎不均勻沉降主要分為單點沉降、中間沉降、兩端沉降和整體傾斜4種形式［16］，見圖1。基礎沉降相當于給球罐結構施加了位移荷載，會對球罐的支柱、球殼、支柱與球殼連接的托板的應力變化造成較大的影響。

圖1 球罐基礎不均勻沉降方式

單點沉降是由于地基處理不當，在某局部區域造成只有1根支柱產生了沉降位移。中間沉降和兩端沉降，是在基礎沉降計算深度范圍內，因各點土層分布差異較大，各土層的壓縮模量不盡相同［17-18］，或地基處理質量問題產生的中間高、兩端低或中間低、兩端高的不均勻沉降現象。整體傾斜是結構基礎建在傾斜地層上，隨著可壓縮土層厚度的變化，基礎沉降沿著某一方向遞增，導致上部結構傾斜。整體傾斜一般是由單點沉降開始，造成各獨立基礎基底的附加應力不均勻［17-18］，隨著時間的推移逐漸發展形成的。

2 球罐基礎沉降有限元分析

2.1 有限元建模

某煉油化工廠2 000 m3儲液球罐的設計壓力為1.78 MPa，球殼內直徑15 700 mm，殼體壁厚 44 mm，殼體材料為Q370R。上支柱為U型托板，采用Q345R鋼板卷制而成。下支柱為由Q345R鋼制作而成的φ560 mm×10 mm鋼管，總共10根。斜撐拉桿為φ50 mm的圓鋼，共20根。

利用ANSYS有限元軟件建立球罐有限元模型，球殼及其他板類構件采用SHELL93單元，支柱采用PIPE16單元，拉桿采用LINK8單元。球罐與上支柱托板的連接部位結構復雜，網格劃分時進行加密處理，最后的網格數為17 336、節點數為17 404。球罐整體有限元模型見圖2。

圖2 2 000 m3球罐整體有限元模型

2.2 載荷計算

球罐建造完成后需對其進行耐壓試驗，水壓試驗壓力為2.25 MPa（大于設計壓力和氣密性試驗壓力1.78 MPa），水壓試驗的同時要進行基礎沉降監測。文中對最不利工況，即水壓試驗工況進行分析。水壓試驗時，球殼內表面承受的壓力包括試驗壓力和由液體產生的壓力，壓力pi隨液面高度 yi線性變化［19］：

對每個支柱底板施加轉角約束和位移約束，考慮基礎沉降影響，對球罐按一個方向由單點沉降到三點沉降、再逐漸發展至整體傾斜施加載荷。GB 12337—1998《鋼制球形儲罐》［20］中規定，放液后基礎沉降差不得大于Db/1 000（Db為基礎中心圓直徑），相鄰支柱基礎沉降差不大于2 mm。本球罐的 Db=15 700 mm，根據文獻［20］要求，基礎沉降差不得大于15.7 mm，相鄰支柱基礎沉降差不得大于2 mm。因此對每個支柱底板施加了不同的位移載荷。

球罐支柱編號見圖3，每個支柱底板施加的位移載荷見表1。表1中工況0P表示無沉降或均勻沉降，9P表示整體傾斜，0P～9P代表從均勻沉降發展到整體傾斜的載荷工況。

圖3 球罐支柱編號

表1 球罐支柱底板施加的位移載荷 mm

2.3 應力計算結果

2.3.1 球殼及托板應力

對球殼及托板均采用的是殼單元建模，球殼和托板連接部位屬于應力集中區域［21］。基礎整體傾斜時球殼的Von Mises等效應力分布云圖見圖4。從圖4可見，應力較大區域主要在球殼與上支柱托板連接部位，離開此區域的應力逐漸減小至球殼的薄膜應力。整個連接部位中，U型托板與球殼連接處應力較小，下支柱頂的連接板與球殼、托板連接處應力最大。

圖4 基礎整體傾斜時球殼Von Mises等效應力分布云圖

球殼及托板最大應力隨沉降發展變化曲線見圖5，應力最大值及位置見表2。

圖5 球殼及托板最大應力隨沉降發展變化曲線

由圖5和表2可以看出，基礎發生不均勻沉降之后，球殼的最大應力有增大趨勢，由于相鄰基礎的沉降差控制在2 mm，因此球殼應力的增幅并不大，在3.2%以內。隨著基礎由單點沉降（工況1P）逐漸發展至整體傾斜（工況9P），球罐最大應力的位置隨之變化，分別位于距離有沉降支柱最近的無沉降支柱對應的球殼部位。托板的最大應力數值變化不大，只是隨著沉降的發展，最大應力的位置發生變化。

表2 球殼及托板應力最大值及位置

2.3.2 支撐結構強度

球罐的支撐結構由支柱和斜撐組成，10根支柱在球殼赤道線均勻直立分布于基礎上，每相鄰的2根支柱間有2根斜撐。支柱主要用于支撐球罐自身、球罐中介質及附件的質量，因此承受的是垂直壓縮載荷［9］，斜撐主要承受軸向載荷。球罐支撐結構應力最大值及位置見表3，表3中斜撐最大應力位置編號是桿件單元號。由于位移載荷是以1#和6#支柱連線呈對稱形式施加，因此只繪出1#～6#支柱的最大應力變化曲線，見圖6。

表3 球罐支撐結構應力最大值及位置

由表3所列的數據可知，出現基礎沉降后，支柱和斜撐的應力都有增大趨勢，增幅分別在8.6%和13%以內。結合圖6的關系曲線可見，隨著基礎沉降由單點沉降逐漸發展至整體傾斜，支柱的最大應力增值并不明顯，只是最大應力出現位置被傳遞到新發生沉降支柱兩側的支柱上，且各支柱的應力值并沒有隨著沉降的發展而逐漸增大。從圖6中豎向觀察各沉降工況對應的每根支柱最大應力發現，0P工況下各基礎均勻沉降，各支柱最大應力分布均勻。3P工況下各支柱最大應力較分散，不均勻程度最大，5P工況次之。整體傾斜時最大應力不均勻程度有所減輕，但大于均勻沉降的情況。

圖6 球罐1#～6#支柱最大應力隨沉降發展變化曲線

從表3還可以看出，斜撐僅在1P工況下剛發生局部沉降時出現較大的應力增值，隨著基礎沉降的繼續發展，斜撐的最大應力并未呈正相關的變化，且出現最大應力的桿件也沒有變化，一直是發生最大沉降的1#支柱的上部節點與相鄰2根支柱的下部節點相連的2根斜撐。

3 結語

根據對球罐各部分結構的應力分析，得出如下結論，①根據文獻［20］要求將相鄰基礎沉降差控制在2 mm，與均勻沉降或不發生沉降對比，球罐不同部位的結構應力均有不同幅度的增加。在剛出現單點沉降時，由于其余未發生位移的部分結構剛度最大，對斜撐的約束最大，所以斜撐內力變化最大，達到13%。可見基礎不均勻沉降對球罐支撐結構的影響非常敏感，嚴重影響球罐的安全運行。②相鄰基礎沉降差不變，沉降變化從單點沉降逐漸發展至整體傾斜，球罐結構的應力變化不大，只是在結構內部進行了多次內力重分布。沉降發展使相鄰支柱間的相互約束力發生不同程度的變化。可以推斷的是應力最大值受相鄰基礎沉降差的影響較明顯，有待后續進行大量的參數化結構分析驗證。③發生沉降的支柱應力減小，其旁邊未發生沉降的支柱最大應力會突然增大，可見位移越大的支柱的結構應力越小，載荷會更多地分配到位移較小的結構上。

文中僅針對基礎沉降在一個方向發展進行結構強度分析并不全面，基礎沉降的發展隨時間的推移是不確定的，應該進行多種沉降假設的參數化分析，以獲得更為準確的規律，為球罐結構設計和安全監測提供有效支撐。