多年冻土地区储罐地基热应力分析.pdf

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1、24石油工{jc建设多年冻士地区储罐弛墓热应力分析基釜项目：中国石油天然气股份有限公司科学研究与技术开发项目(o9o4o203)李国文(大庆油田建设设计研究院，黑龙江大庆163712)摘要：用ANSYS软件热分析程序建立了多年冻土地区储罐地基的轴对称有限元模型，采用焓法解决冻土相变问题．通过热分析得到了50年内任一月份地基的温度场根据计算结果．分析了储罐地基各点在不同深度处地温的变化规律然后．把热分析单元转换为结构分析单元，对附加应力和包含融沉的地基变形进行了计算最后得出结论：本工程中油罐地基在50年的使用期

2、间是不安全的，应该采取特殊的工程措施来保持地基稳定关键词：储罐；多年冻土；地基；有限元；热应力分析doi：10．39694．issn．1001-2206．2012．06．007＼赠2O000OO0引言一月平均气温在中俄原油管道工程中计划建造几座5万m。-。月平均地表温度一月平均油温的油罐．原拟选站址位于多年冻土地基上因为年平均油温高于自然地表年平均温度．因此油罐的施工和运行将会提高一定深度内地基土的温度当地基土的温度高于冻土融化温度时．冻土将会成为融土冻土融化后．其强度和弹性模量急剧下降．最月份终大罐可能因为

3、地基土的过大变形而破坏所以对于储罐地基而言．多年冻土地基在应力分析之前必图1月平均气温、月平均地表温度和月平均油温须先进行热分析．以便于确定地基土的温度分布和平均气温融化深度冬季．通过加热使油温保持在一6以上．但基于这种思想．在这个工程的初步设计阶段．考虑到加热可能使油温在某些时候高于一6℃．为了我们分别进行了热分析和应力分析计算结果显示安全起见．假定在寒季油温为一4℃．在暖季油温与如果不采取特殊的工程措施．在油罐服役期间地基气温相同。根据这些假定，年平均油温为l-3℃。是不稳定的经过对安全、成本和时间等因素

4、的全原位温度测试显示．多年冻土地温随深度增加面考虑．我们选择了一个新站址代替了这个旧站而提高．16m深处温度为一1．9℃活动层厚度为址．以保证工程的安全1．4m。1设计参数1．2土体参数1．1温度条件(见图1)2007年l2月．一个16m深的钻孔显示地基在过去50年中．当地最高气温是38℃．最土可分为两层：粉质黏土和圆砾。原位测试、试验低气温是一52-3℃年平均气温为一5．9oC．最冷月室测试和JGJ118—1998规范提供了计算所需的热为一月．最暖月为七月和力学参数．见表1和表2根据在这一区域的工程经验．地

5、表会因为辐射1．3储罐参数(见表3)而升高温度1℃．在寒季．地表会因为雪盖而升高1．4土体的焓值温度4℃．基于这种认识．采用了一2．6℃作为年材料相变时会放出或吸收潜热在冻土工程第38卷第6期李义：多年冻土地区储罐地基热应力分析25表1土体物理参数和热参数(1)确定设计参数。通过试验和经验确定计算参数粉质黏土圆砾所需的热分析参数和应力分析参数h／m>9(2)热分析。建立热分析有限元模型．施加热／％251O荷载和边界条件．计算储罐使用期间的月平均地pd／(kg／m3)16001800温．选取最大融化深度时的地温

6、作为应力分析的初A／(W／(m·℃))1．82．6始条件。CfI(kJl(m3·℃))23701690A／(W／(m·℃))l31．9(3)应力分析。将热分析单元转换为应力分析／(kJ／(m·℃))30102180单元：输入热学分析结果和力学参数：施加力学荷注：h为土层厚度；∞为冻土含水量；Pd为土的干密度；A为冻载和边界条件，计算附加应力、弹性变形和融沉。土传热系数；A为融土传热系数；Gf为冻土比热容；C为融土比(4)评价可行性。根据计算结果和规范评价可热容。行性．并作出工程决断表2土体力学参数热分析和应力

7、分析是前后衔接的本文没有考参数粉质黏土圆砾虑热和应力的耦合效应．主要原因是耦合计算的参氛a300500数很难确定．耦合计算太复杂．以至于很难得到有厶／kPa170250Ef／MPa425用的结果通过采用合理和保守的假定．可以得到Eu／MPa2．55满足工程需要的结果804．92．52．2简化的理论模型(见图3)0．22O．15工／~u0_3O．1～、注：厶为一0．5℃时冻土承载力特征值；厶为0．5℃时融土承载力特油罐征值；髓为一0_5℃时冻土弹性模量；E为O．5℃时融土弹性模量；空气岛为平均融沉系数；／if为

8、_0．5℃时泊松比；为0．5oC时泊松比。¨对流对流表3储罐参数^l地表V／m0D。／m且／mHL／mlt轴对称边界粉质黏土绝热边界L一传导+—一500006019．35l7．952100圆砾●。——注：为油罐容积；D为油罐直径；且为油罐最大高度；为油f热流密度罐最大液位高度；为油罐最大质量。图3简化后的理论模型中．必须考虑相变．因为土体可能会融化或冻结。油罐是典型的轴对称结构．因此我们使用轴对我们