大型复材储罐罐顶新型加固技术及稳定性分析*

梁 旭 王云浩 谭力豪 胡黎俐 冯 鹏

大型复材储罐罐顶新型加固技术及稳定性分析*

梁 旭1王云浩1谭力豪2胡黎俐1冯 鹏3

(1. 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240；2. 北京航空航天大学交通科学与工程学院，北京 100191；3. 清华大学土木工程系，北京 100084)

大型储罐罐顶的罐壁薄、跨度大，在外压作用下容易出现失稳问题。以某大型2万t复材储罐典型工程为例，针对其罐顶稳定性提升的需求，提出复材拱加固、复材拱–工字钢–槽钢组合加固、工字钢-槽钢组合加固、三角钢桁架加固罐顶等四种加固方案，并建立有限元模型对加固前后的储罐进行特征值屈曲分析。结果表明，加固前罐顶稳定系数为1.29，远小于GB150—1998《钢制压力容器》的要求（稳定系数为15）。除复材拱加固外，其余应用钢结构与复材进行组合的加固方案均有较好的效果，加固后罐顶稳定系数均满足GB150—1998的要求。在此基础上，综合分析了各加固方案的造价及施工工艺，结果表明小截面三角钢桁架加固复材罐顶为最优方案，为大型复材储罐罐顶的加固和优化设计提供技术参考。

复材；大型储罐；加固；钢桁架；稳定系数

0 引 言

储罐结构是典型的薄壳结构，广泛应用于能源、食品、化工产品等各类液体和固体的储存。大型储罐中，立式圆柱储罐最为常见，其由罐顶、圆柱壳罐壁、底板以及附属结构等组成[1]。罐顶是储罐罐壁以上的结构部件，它的主要作用是为储罐内的储存介质提供一个封闭的空间，以保证储存介质具有良好的储存环境。工程案例表明，因储罐内压增大导致的罐顶与罐壁撕裂[2]、风力作用导致的罐顶凹瘪[3]等事故会给罐体结构的作业带来极大危险。因此，罐顶的结构安全至关重要[4]。国内传统的储罐材料大多采用钢材，主要使用碳素钢、低合金钢和高合金钢等，其具有价格低、操作性强、强度高、刚度大等特点[5]。近年来，随着工业化的发展和能源战略储备需求的增加，储罐发展趋于大型化，同时需满足长寿命、高耐久等要求。为实现储罐的大型化，罐顶跨度将大幅增加，使得结构自重增大，并增加了制造难度和成本。与此同时，钢储罐在自然环境和储存介质影响下，其内外侧均容易产生腐蚀，这对储罐的功能影响很大[6]，使得结构难以满足长寿命的要求。

复材具有轻质高强、耐腐蚀、可设计性强等优点，将其作为储罐的主要材料可以较好地解决上述问题，因此以玻璃纤维复合材料（简称玻纤复材）为代表的复材储罐在实际工程中得到了广泛的发展[7-8]。市场调查表明，2021年全球玻纤复材储罐市场规模和份额的需求价值约为23亿美元，并预计将以高于4.5%的年复合增长率增长，预计到2028年将达到31亿美元以上[9]。由于玻纤复材弹性模量较低、刚度小、易变形，在建造大型储罐时容易出现稳定性问题[7]，必须在设计中引起重视。对此，徐书根等[10]在罐顶结构内部设槽钢加强筋；张瑾等[7]设计了新型含夹芯层的复合结构罐顶；范虹等[11]提出罐顶设置加强圈和加强筋方案。基于上述问题和现有研究基础，以国内某大型2万t储罐典型工程为例，针对其稳定性问题提出了复材拱加固、复材–工字钢–槽钢组合加固、工字钢–槽钢组合加固、三角钢桁架加固等四类新型加固技术，参考文献[12-14]的建模方法对加固前后的罐顶薄壳结构进行了精细化有限元建模和屈曲性能分析，并以提升稳定性、节约成本、施工便捷为综合目标，进行了方案对比分析，获得了最优加固方法。

1 储罐罐顶参数及屈曲性能

某大型2万t储罐罐顶采用大跨径薄壳型玻纤复材结构，该复材结构通过湿法缠绕工艺制作而成。玻纤复材弹性模量为10 GPa，泊松比为0.3，两个垂直方向的剪切模量分别为5 GPa和3 GPa。罐顶主体厚度及与罐壁连接处厚度分别为35，45 mm。罐顶底部到顶部的高度为4.158 m，罐顶跨度为31 m。根据HG/T 3983—2007《耐代子腐蚀现场缠绕玻璃钢大型容器》[15]的要求，罐顶最大设计外压为0.5 kN/mm2，因此，考虑最不利情况，沿罐顶表面法线方向施加0.5 kN/mm2荷载。为保证罐顶和罐壁连接处的强度，在连接处进行内外加强，如图1所示。

图1 罐顶结构细节（mm）

现有文献表明，通过精细的有限元建模，可以较好地模拟出薄壳失稳的行为[12-14]。基于此，采用ABAQUS[16]对此罐顶进行特征值屈曲分析，输入实际的材料性能参数和罐顶薄壳结构的几何形状与尺寸，并根据实际结构的边界条件设置有限元模型的边界条件，以获得反映实际工程情况的计算结果。罐顶采用S4R壳单元，并采用300 mm网格。在罐顶面施加法向荷载0.5 kN/mm2并考虑自重，约束罐顶底边所有方向自由度模拟罐顶的边界条件。玻纤复材罐顶一阶屈曲模态为罐顶表面环向的连续鼓曲，如图2所示。玻纤复材罐顶的稳定系数仅有1.29，远低于GB 150—1998《钢制压力容器》[17]规定的罐顶的稳定系数值（15）。因此，亟需进行抗屈曲加固。

图2 玻纤复材罐顶一阶屈曲模态

2 大型复材储罐罐顶新型加固设计

2.1 方案1：复材拱加固

为解决玻纤复材罐顶的连续鼓曲问题，在罐顶设置36个复材拱增强罐顶刚度，罐顶和复材拱的具体尺寸见图3。施工工艺如下：罐顶和复材拱之间整体铺设黏结层，黏结层覆盖于罐顶和罐壁连接处。

图3 复材拱加固（mm）

在ABAQUS有限元模型中，罐顶和复材拱采用S4R壳单元。罐顶和复材拱整体网格尺寸均为300 mm，如图4所示。由于罐顶和复材拱之间整体铺设黏结层，因此认为罐顶和复材拱之间接触稳定且无相对滑移，在ABAQUS中将罐顶和复材拱绑定连接。在罐顶面施加给定的法向荷载并考虑自重，在罐顶底边设置固定约束模拟罐顶的边界条件。对加固后罐顶进行特征值屈曲分析，获得其一阶屈曲模态和特征值。加固后罐顶的一阶屈曲模态见图5，复材拱间隙的罐顶表面发生了鼓曲。加固后罐顶的稳定系数为5.05，仍小于GB 150—1998规定的椭圆形罐顶的稳定系数值。因此需要对薄弱位置进一步强化。

图4 网格划分及边界条件

2.2 方案2：复材拱–工字钢–槽钢组合加固

在2.1节的基础上，为有效提高罐顶稳定性，在各复材拱之间布置工字钢，并在工字钢跨度中部布置C型槽钢以限制工字钢的侧向失稳，如图6所示。工字钢和C型槽钢的屈服强度均取345 MPa，弹性模量取210 GPa。工字钢、C型槽钢和中心限位环的尺寸见图7。此方案的施工工艺如下：将工字钢和中心限位环吊装至罐顶，工字钢以及中心限位环下部与罐顶表面之间手糊黏结层固定，并将各工字钢端部通过焊接固定在罐顶的中心限环上；之后将C型槽钢吊装至工字钢上部，其下表面和工字钢上表面贴合焊接。

图5 复材拱加固罐顶一阶屈曲模态

在ABAQUS有限元模型中，工字钢和C型槽钢均采用SR4壳单元，中心限位环采用C3D8R实体单元。钢材采用理想弹塑性本构模拟。工字钢与罐顶表面之间、工字钢与C型槽钢之间、工字钢与中心限位环之间以及中心限位环与罐顶表面之间采用绑定连接。边界条件为罐顶底边设置固端约束。在罐顶表面施加给定法向荷载进行特征值屈曲分析。加固后罐顶的一阶屈曲模态见图8，部分工字钢发生侧向扭转失稳。加固后罐顶的稳定性系数为17.22>15，满足GB 150—1998的要求。

图6 复材拱–工字钢–槽钢组合加固

图7 构件位置及构件尺寸（mm）

图8 复材拱–工字钢–槽钢组合加固罐顶一阶屈曲模态

2.3 方案3：工字钢–槽钢组合加固

考虑材料成本，对罐顶进行优化，罐顶主体厚度减小为35 mm，与罐壁连接处厚度减小为25 mm。由于钢材每吨价格低于复材，将复材拱去掉，全部改用工字钢，并将中心限位环优化为薄壁构件形式。由方案2分析可知，工字钢易发生侧向失稳，因此布置更多C型槽钢来约束工字钢的侧向位移，工字钢、C型槽钢和中心限位环的构件位置及尺寸见图9和图10。施工工艺如下：先吊装工字钢至罐顶顶面，将工字钢下部与罐顶表面铺设手糊黏结层，如图9所示。之后将C型槽钢吊装至工字钢上部指定位置并与工字钢进行焊接。

在ABAQUS有限元模型中，工字钢、C型槽钢和中心限位环均采用SR4壳单元，整体网格尺寸均为100 mm，钢材本构同2.2节。构件接触定义，荷载施加及边界条件同2.2节。特征值屈曲分析结果表明，薄弱位置在工字钢之间的复合材料罐顶位置，如图11所示，C型槽钢的密集布置提高了工字钢的抗扭能力。此方案加固后的稳定性系数为15.01>15，满足GB 150—1998的要求。

图9 工字钢–槽钢组合加固

图10 工字钢、槽钢和中心限位环位置及尺寸（mm）

图11 工字钢–槽钢加固罐顶一阶屈曲模态

2.4 方案4：三角钢桁架加固

2.4.1 大截面钢桁架加固

对罐顶主体厚度和连接处厚度进行优化，分别减小到25，35 mm。为进一步提高钢构件的抗扭刚度，将工字钢替换为大截面三角钢桁架，沿罐顶表面均匀布置16个钢桁架，钢桁架一端与中心限位环固定连接，如图12所示。桁架的上下弦杆、腹杆和拉杆的具体尺寸见图13。施工工艺如下：首先在工厂预制钢桁架和中心限位环，并将各钢桁架焊接至中心限位环，之后吊装至罐顶，将下弦杆、腹杆以及斜向系杆和罐顶之间铺设手糊黏结层，中间的空隙采用腻子进行填充。

图12 大截面钢桁架加固

图13 大截面钢桁架布置及构件尺寸（mm）

在ABAQUS有限元模型中，上下弦杆、腹杆和拉杆均采用SR4壳单元。钢桁架中的钢构件以及中心限位环网格尺寸均为100 mm，钢材本构同2.2节。桁架的钢构件之间、钢桁架和罐顶顶面、中心限位环与罐顶顶面之间绑定连接。荷载施加和边界条件同2.2节。加固后罐顶的一阶屈曲模态见图14，最外端腹杆发生了屈曲失稳。加强后结构的稳定性系数为15.726>15，满足GB150—1998的要求。

图14 大截面钢桁架加固罐顶一阶屈曲模态

2.4.2 小截面钢桁架加固

将罐顶主体和连接处的厚度分别进一步优化为20，30 mm。在2.4.1节基础上，将钢桁架优化为小截面三角钢桁架并用C型槽钢进一步限制钢桁架的侧向位移。小截面三角钢桁架布置及构件尺寸见图15，16。此方案的施工工艺和2.4.1节类似。此外，将中心限位环与钢桁架焊接后的整体结构吊装至罐顶后，在桁架上方指定位置焊接C型槽钢。

在ABAQUS有限元模型中，上下弦杆、腹杆和C型槽钢均采用SR4壳单元。钢桁架中的钢构件以及中心限位环网格尺寸均为100 mm，钢材本构同2.2节。桁架和罐顶表面接触，中心限位环和罐顶表面接触，C型槽钢和上弦杆以及上弦杆和中心限位环接触均为绑定连接。荷载施加和边界条件同2.1节。加固后罐顶的一阶屈曲模态见图17，C型槽钢发生扭转失稳，部分腹杆发生屈曲。稳定性系数为16.04>15，满足GB 150—1998的要求。

图15 小截面三角钢桁架加固

图16 小截面钢桁架布置及构件尺寸（mm）

图17 小截面钢桁架加固罐顶一阶屈曲模态

3 加固方案对比分析

综合考虑加固方案的造价、加固后的罐顶稳定性以及施工复杂程度，对各加固方案进行对比分析。

首先，4种加固方案的总价格和稳定系数对比见表1。复材拱、复材拱–工字钢–槽钢组合、工字钢–槽钢组合、大截面和小截面钢桁架加固罐顶后的稳定系数相较于未加固罐顶提升了2.9%、12.3%、10.6%、11.2%和11.4%，结果表明，除复材拱加固外，其余加固方式均能有效提高罐顶的稳定性，加固后的稳定系数均大于GB 150–1998规定的稳定系数值。复材拱、复材拱–工字钢–槽钢组合、工字钢–槽钢组合、大截面钢桁架加固罐顶后的总造价比未加固罐顶造价提升了52.1%、86.6%、28.3%、5.16%，而小截面钢桁架加固方案造价则比加固前减小了19.4%

第二，分析四类方案的施工工艺。复材拱加固方案的施工工艺为手糊黏结层工艺，施工效率比较低。复材拱–工字钢–槽钢组合加固除了上述手糊复材拱的工艺外，还需将工字钢和槽钢吊装至罐顶后进行焊接，再进行粘贴，工艺较为复杂。相较于复材拱–工字钢–槽钢组合加固，工字钢–槽钢组合加固施工工艺中减少了复材拱与罐顶之间的手糊黏结层，但仍需进行钢结构的焊接和粘贴。值得注意的是，由于工字钢截面高度较低，焊接过程中产生的火花和高温会对复材罐顶和复材拱产生不利影响。三角钢桁架加固方案则可以在保证工艺便捷的同时，较好地避免该不利影响。施工前，需将钢桁架和中心限位环在工厂预制，并将各钢桁架焊接至中心限位环，之后吊装至罐顶，再采用手糊黏结层固定钢桁架，其中小截面三角钢桁架加固时还需在桁架侧焊接C型槽钢，但由于钢桁架较高，焊接产生的高温对复材罐顶影响较小。相较于大截面三角钢桁架加固，小截面三角钢桁架结构更加简单，施工更加便捷。

综合上述分析，将各类方案进行对比，结果如图18所示。可见，小截面钢桁架加固方案造价最低（比复材拱、复材拱–工字钢–槽钢组合、工字钢–槽钢组合、大截面钢桁架加固方案总造价低47.0%、56.8%、37.2%，24.9%），且稳定性强，施工简便，为最优加固方案。

表1 各加固方案价格与稳定性对比

钢材价格取6 000元/t；玻纤复材价格取15 000元/t。

图18 不同加固方案对比分析

4 结 论

1）大型储罐复材罐顶刚度小、易变形，其屈曲失效模式为罐顶顶面环向的连续鼓曲。未加固的玻纤复材罐顶的稳定系数仅有1.29，远远低于GB 150—1998要求的稳定系数值。

2）基于玻纤复材罐顶稳定性差的问题，提出复材拱、复材拱–工字钢–槽钢组合、工字钢–槽钢组合、大截面和小截面三角钢桁架加固等方案，通过增强罐顶刚度限制其鼓曲来增加罐顶稳定性，稳定系数分别提升到5.05，15.01，17.22，15.73，16.04；各方案加固后的屈曲模式分别为复材拱之间罐顶鼓曲、工字钢侧向失稳、工字钢之间罐顶表面鼓曲、大截面钢桁架最外侧腹杆的屈曲以及约束小截面桁架的槽钢扭转屈曲。除复材拱加固方案外，其余加固方案加固后的罐顶稳定性系数均满足GB 150—1998要求的稳定性系数值（15）。

3）钢–复材组合加固方案中，钢材刚度大、价格低和施工方便，复材轻质、高强和耐腐，结合两种材料各自的优点，钢–复材组合加固表现出较好的经济性施工可行性及稳定性。所提出的加固方案中，小截面钢桁架加固方案造价最低，比加固前的造价还减小了47.0%，并且由于其同时具备稳定性强和施工简便的特点，因此为玻纤复材罐顶的最优加固方案。

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A New Reinforcement Technique and Stability Analysis for Large Composite Storage Tank Roofs

LIANG Xu1WANG Yunhao1TAN Lik-ho2HU Lili1FENG Peng3

(1. School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. School of Transportation Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China; 3. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

The roof of large storage tank is prone to instability under external pressure due to its thin wall and large span. Taking a large 20 000-ton composite storage tank as an example, in order to improve the stability of the tank roof, four reinforcement schemes were proposed, such as composite arch reinforcement, composite arch-I-beam-channel steel combined reinforcement, I-beam-channel steel combined reinforcement, and triangular steel truss reinforcement. A finite element model was established to perform buckling analysis of the tank roof before and after reinforcement. It was shown that the stability coefficient of the tank roof before reinforcement was 1.29, which was much smaller than the requirements of a stability coefficient of 15 in(GB 150—1998). Except for the composite arch reinforcement, other reinforcement schemes that combined steel structures with composite materials exhibited favorable effects, and the stability coefficient of the tank roof after reinforcement could meet the requirements of GB 150—1998. Based on this, the cost and construction processes of each reinforcement scheme were systematically analyzed. The small cross-sectional triangular steel truss reinforcement scheme was identified as the optimal solution for the composite tank roof, which could provid technical reference for the reinforcement and optimization design of large composite storage tank roofs.

composite material; large storage tank; reinforcement; steel truss; stability coefficient

梁旭, 王云浩, 谭力豪, 等. 大型复材储罐罐顶新型加固技术及稳定性分析[J]. 工业建筑, 2024, 54(1): 140-146. LIANG X, WANG YH, TAN LH, et al. A New Reinforcement Technique and Stability Analysis for Large Composite Storage Tank Roofs[J]. Industrial Construction, 2024, 54(1): 140-146 (in Chinese).

10.3724/j.gyjzG23092009

*国家重点研发计划（2022YFC3801800）；中国青年人才托举基金（2022QNRC001）。

梁旭，硕士，主要从事高性能复合材料–钢新型组合结构稳定性研究的工作。

胡黎俐，博士，主要从事高性能复合材料结构、新型组合结构、既有建筑结构加固等相关方向的科研工作，lilihu@sjtu.edu.cn。

2023-09-20