液化天然气储罐混凝土穹顶的冲击破坏模式与机理

翟希梅; 赵新宇

doi:10.11883/bzycj-2017-0090

液化天然气储罐混凝土穹顶的冲击破坏模式与机理

doi: 10.11883/bzycj-2017-0090

翟希梅^{1, 2,},
赵新宇^{1, 2}

1.
哈尔滨工业大学结构工程灾变与控制教育部重点实验室, 黑龙江哈尔滨 150090
2.
哈尔滨工业大学土木工程智能防灾减灾工业和信息化部重点实验室, 黑龙江哈尔滨 150090

基金项目:

国家自然科学基金项目 51378151

详细信息

作者简介:
翟希梅(1971-), 女, 教授, 博士生导师, xmzhai@hit.edu.cn

中图分类号: O346
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出版历程
- 收稿日期: 2017-03-23
- 修回日期: 2017-05-23
- 刊出日期: 2018-09-25

Damage modes and failure mechanism of concrete dome of LNG storage tank

ZHAI Ximei^{1, 2
,},
ZHAO Xinyu^{1, 2}

1.
Key Laboratory of Structures Dynamic Behavior and Control of the Ministry of Education, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, Heilongjiang, China
2.
Key Laboratory of Smart Prevention and Mitigation of Civil Engineering Disasters of the Ministry of Industry and Information Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, Heilongjiang, China

摘要

摘要: 为获得大型全容式LNG储罐混凝土穹顶结构在圆柱形刚体冲击作用下的动力响应、失效模式以及失效机理，基于160 000 m³的LNG储罐，应用ANSYS/LS-DYNA建立LNG储罐精细化有限元数值模型，并通过对弹丸冲击混凝土靶板实验的数值模拟，验证了有限元模拟方法及材料模型的适用性。通过分析圆柱体冲击物撞击下LNG储罐的动力响应，提出储罐穹顶结构的3种失效模式即局部凹陷、混凝土剥落、击穿破坏，并根据冲击过程中能量的传递特征揭示了每类失效模式对应的失效机理。最后通过大量参数分析获得不同冲击物直径、冲击位置、冲击角度对LNG储罐结构的最大冲击响应及失效模式的影响规律。结果表明，冲击角度、冲击物直径对LNG储罐混凝土外罐穹顶的失效模式影响较大，冲击位置对储罐穹顶失效模式的影响较小，可以忽略。
- LNG储罐 /
- 混凝土穹顶 /
- 破坏模式 /
- 失效机理
Abstract: In order to investigate the damage modes and failure mechanism of the concrete dome of the liquefied natural gas (LNG) storage tank subjected to impact by a rigid circular cylinder, the finite element (FE) model of the outer concrete tank of the 160 000 m³ LNG storage tank for an actual LNG project and a cylindrical impactor is established based on ANSYS/LS-DYNAFE analysis software platform. The accuracy of the numerical simulation method and the material model employed has been verified by simulating the impact perforation of reinforced concrete slabs subjected to projectile with high speed. The dynamic response of structures under impacting with variable speed, angle, location, and diameter are studied. Based on the dynamic response of the outer concrete tank of the LNG storage tank subjected to impact loading, three damage modes are defined and the failure mechanism of each mode is revealed from the point view of energy. The response characteristics and rules with the change of the impact parameters are obtained. The results show that the impact angle and the diameter of the impactor affect significantly on the failure modes of dome, and the impact position at the dome has a negligible effect on the failure modes.
- LNG storage tank /
- concrete dome /
- damage mode /
- failure mechanism

HTML全文

1.   冲击模拟方法验证

2.   LNG储罐工程概况及有限元模型

3.   LNG储罐外罐穹顶结构失效模式

4.   LNG储罐外罐穹顶结构失效规律

4.1   冲击角度对失效模式的影响

4.2   冲击物尺寸对失效模式的影响

4.3   冲击位置对失效模式的影响

5.   冲击失效机理

5.1   局部凹陷失效机理

5.2   混凝土剥落与击穿破坏失效机理

6.   结论

图 1 弹丸靶板有限元模型

Figure 1. FE model

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图 2 靶板破坏现象

Figure 2. Impact perforation

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图 3 LNG储罐剖面图

Figure 3. Profile map of LNG tank

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图 4 LNG储罐有限元模型

Figure 4. FE model of LNG outer tank

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图 5 冲击位置示意图

Figure 5. Locations A and B at dome

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图 6 失效模式分布图

Figure 6. Distribution of failure modes

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图 7 冲击力

Figure 7. Impact force

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图 8 冲击物速度

Figure 8. Velocity of impactor

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图 9 穹顶应变能

Figure 9. Internal energy of dome

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图 10 节点位置示意图

Figure 10. Designation of points

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图 11 节点位移

Figure 11. Displacement of point

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图 12 穹顶应变能

Figure 12. Internal energy of dome

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图 13 穹顶应变能

Figure 13. Internal energy of dome

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图 14 局部凹陷全过程划分示意图

Figure 14. Partition of failure process for local distortion

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图 15 穹顶应变能

Figure 15. Internal energy of dome

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图 16 冲击全过程划分示意图

Figure 16. Partitions of failure process for impact

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图 17 穹顶应变能

Figure 17. Internal energy of dome

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表 1 实验与有限元模拟结果对比

Table 1. Comparison of simulation results and experimental results

类别	试件	v_i/(m·s^-1)	v_{r, exp}/(m·s^-1)	v_{r, CSCM}/(m·s^-1)	v_{r, HJC}/(m·s^-1)	v_{r, CSCM}/v_{r, exp}	v_{r, HJC}/v_{r, exp}
	A1	218	166	160	148	0.964	0.892
	A2	250	199	197	191	0.990	0.960
素混凝土	A3	376	280	277	323	0.989	1.154
	A4	620	529	540	553	1.021	1.045
	B1	501	301	332	326	1.103	1.083
	B2	753	554	551	566	0.995	1.022
	C1	193	131	120	96	0.916	0.732
	C2	268	195	195	191	1.000	0.979
钢筋混凝土	C3	361	300	290	283	0.967	0.943
	C4	608	528	512	519	0.958	0.982
	C5	812	701	704	735	1.004	1.049
	C6	1 246	1 111	1 170	1 220	1.053	1.098

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参考文献(13)

[1]	IQBAL M A, RAI S, SADIQUE M R, et al. Numerical simulation of aircraft crash on nuclear containment structure[J]. Nuclear Engineering and Design, 2012, 243:321-335. doi: 10.1016/j.nucengdes.2011.11.019
[2]	SADIQUE M R, IQBAL M A, BHARGAVA P. Nuclear containment structure subjected to commercial and fighter aircraft crash[J]. Nuclear Engineering and Design, 2013, 260:30-46. doi: 10.1016/j.nucengdes.2013.03.009
[3]	MOHAMMED R K, MICHELLE S H F. Impact of the Boeing 767 Aircraft into the World Trade Center[J]. Journal of Engineering Mechanics, 2005, 131:1066-1072. doi: 10.1061/(ASCE)0733-9399(2005)131:10(1066)
[4]	FAN F, WANG D Z, ZHI X D, et al. Failure modes of reticulated domes subjected to impact and the judgment[J]. Thin-Walled Structures, 2010, 48(2):143-149. doi: 10.1016/j.tws.2009.08.005
[5]	FAN F, WANG D Z, ZHI X D, et al. Failure modes for single-layer reticulated domes under impact loads[J]. Transactions of Tianjin University, 2008, 14(suppl):545-550.
[6]	WANG D Z, ZHI X D, FAN F, et al. Failure process and energy transmission for single-layer reticulated domes under impact loads[J]. Transactions of Tianjin University, 2008, 14(suppl):551-557. doi: 10.1007-s12209-008-0095-6/
[7]	张云峰, 张钊, 薛景宏, 等.LNG储罐外罐壁在冲击荷载作用下的受力分析[J].大庆石油学院学报, 2011, 35(6):93-96. doi: 10.3969/j.issn.2095-4107.2011.06.019 ZHANG Yunfeng, ZHANG Zhao, XUE Jinghong, et al. Stress analysis of the outer wall of LNG storage tank under impact loading[J]. Journal of Daqing Petroleum Institute, 2011, 35(6):93-96. doi: 10.3969/j.issn.2095-4107.2011.06.019
[8]	苏娟, 刘玉玺, 荆潇, 等.冲击荷载作用下LNG混凝土储罐力学性能分析[J].中国造船, 2012, 53(增刊2):241-248. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Conference/7767963 SU Juan, LIU Yuxi, JING Xiao, et al. Mechanical analysis of LNG prestressed concrete tank for blast loading[J]. Shipbuilding of China, 2012, 53(suppl 2):241-248. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Conference/7767963
[9]	崔利富, 孙建刚, 周国发, 等.冲击荷载作用下LNG储罐外罐力学性能数值仿真分析[J].自然灾害学报, 2016, 25(4):167-175. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10731-1016906687.htm CUI Lifu, SUN Jiangang, ZHOU Guofa, et al. Numerical simulation analysis of LNG outer tank of mechanical properties under impact load[J]. Journal of Natural Disasters, 2016, 25(4):167-175. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10731-1016906687.htm
[10]	BS 7777-1: 1993 Flat-bottomed, vertical, cylindrical storage tanks for low temperature service[S].
[11]	董军, 邓国强, 杨科之, 等.弹丸对混凝土薄板的冲击破坏效应[J].岩石力学与工程学报, 2005, 24(4):713-720. doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2005.04.029 DONG Jun, DENG Guoqiang, YANG Kezhi, et al. Damage effect of thin concrete slabs subjected to projectile impact[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(4):713-720. doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2005.04.029
[12]	ANSYS/LS-DYNA使用指南[Z].北京: 安世亚太, 1999: 57-58.
[13]	MURRAY Y D. Users manual for LS-DYNA concrete material model 159[Z]. Mc Lean, VA: Federal Highway Administration, 2007.

施引文献

期刊类型引用(9)

1.	罗宁，柴亚博，周嘉楠，魏大海，李鹏龙. 薄壁筒体构筑物拆除爆破智能化软件设计与开发. 工程爆破. 2024(06): 93-101 . 百度学术
2.	徐顺香，吴赛格，罗鹏，王威，陈德志，谢广波. 复杂环境下110 m冷却塔控制爆破拆除. 爆破. 2023(03): 129-133 . 百度学术
3.	汪高龙，王潇，李跟，夏卫国. 复杂环境90m高双曲线冷却塔拆除爆破. 工程爆破. 2021(01): 62-68 . 百度学术
4.	白晓阳，樊永利. 大型冷却塔控制爆破技术及危害控制研究. 现代制造技术与装备. 2021(05): 116-117 . 百度学术
5.	费鸿禄，王帅，钱起飞. 烟囱定向爆破拆除前冲及塌落触地振动研究. 爆破. 2021(03): 95-103 . 百度学术
6.	刘桂勇，李坤鹏. 复杂环境61 m高双曲线冷却塔拆除爆破. 工程爆破. 2021(06): 86-91 . 百度学术
7.	谢亮波，王铭，张西良，仪海豹，顾红建，江东平. 薄壁型钢混结构烟囱控制爆破拆除. 爆破. 2020(02): 75-79 . 百度学术
8.	费鸿禄，高建军，张超逸，张龙飞. 冷却塔爆破拆除塔壁触地解体规律研究. 爆破. 2019(04): 86-95 . 百度学术
9.	徐鹏飞，唐英，张英才，王磊，张何，刘乐乐. 冷却塔高卸荷槽切口爆破拆除倒塌受力破坏过程研究. 爆破. 2019(04): 96-102+107 . 百度学术