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| 子午线网壳结构计算书 |
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直径34米子午线结构钢网壳
强度稳定计算书
编制：李群
校对：吴永浩
审核：赵家荣
一、设计规范
1．GB50341-2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》
2．API650-2005《焊接钢制油罐》
3．JGJ61-2003《网壳结构技术规程》
4．GB50017-2003《钢结构设计规范》
5．GB50009-2001《建筑结构荷载规范》
二、设计参数
1．静载：网壳自重300Pa
5mm厚钢顶板自重450Pa
2．附加荷载(活载)：1200Pa
3．基本风压：600Pa
4．基本雪压：600Pa
5．操作压力：正压1960Pa、负压490Pa
6．试验压力：正压2200Pa、负压1320Pa
7．罐顶温度：50℃
8．地震烈度：7度0.12g
9．场地土类别：II类
10．地面粗糙度：B类
三、考虑的荷载工况如下：
1．静载+活载
2．静载+活载+风载
3．静载+风载+正压
4．静载+风载+负压
5．静载+雪载+正压
6．静载+雪载+负压
7．静载+风载+正压+温度
8．静载+风载+负压+温度
9．静载+雪载+正压+温度
10．静载+雪载+负压+温度
11．静载+半跨活载
12．静载+半跨活载+风载
13．静载+地震
14．静载+地震+正压
15．静载+地震+负压
四、罐顶钢网壳的网格划分及其几何数据
油罐内径：D=34m钢网壳的曲率半径：Sr=1.0D=34m
子午线网格的划分频数为：28Q235-B不等边角钢杆件：L140x90x8
L140x90x8截面特性：外形尺寸：140x90x8mm；截面积：17.6cm2；
惯性矩：Ix＝669cm4；Iy＝205cm4；
惯性半径：Rx＝5.14cm；Ry＝2.85cm；Rmin＝2.19cm；
钢网壳网格的最大长度为：1272mm
壳体曲面外的长细比：λ外=1.6x1272/51.4=39.6<[150]
壳体曲面内的长细比：λ内=1272/28.5=44.6<[150]
杆件的最薄弱弯曲面：λ最弱=1272/21.9=58.1<[150]
钢网壳的网格划分如下：
五、钢网壳结构的有限元软件应力分析
网壳结构采用ANSYS软件进行静力和曲屈稳定分析。由于子午线网格的中间部分其尺寸都是弧长近似的四边形网格，为了加载方便，在网壳的中间节点上加的荷载均为相同。
为了准确计算网壳和边环梁，将网壳和边环梁一起进行协同计算分析。因此，网壳和边环梁的相互影响都可以准确计算考虑。
边环梁采用的截面积：300x16mm=4800mm2
考虑顶圈罐壁有效范围的影响，其面积：16x8mm=128mm2
故边环梁的有效截面积：4800+128=4928mm2。
六、网壳构件稳定及强度计算
下图为最大均布荷载下的网壳杆件轴向应力图
6.1网壳杆件的验算
由计算结果可知：杆件轴应力为23.855MPa；
平面外弯应力为120.447MPa；
相应的杆件长度为L＝1272mm；
杆件的最薄弱弯曲面：λ最弱=1272/21.9=58.1；ф＝0.602；
静荷载的分项系数为1.2，活载的分项系数为1.4，其加权平均值为1.338。
则杆件的最大应力：
σ＝1.338x(23.855／0.602+120.447)＝214MPa<[215]
6.2边环梁的验算
边环梁的应力为：145.625N/mm2
考虑加权荷载系数1.338后，其应力为：
σ=1.338x145.625=194.8N/mm2<[215N/mm2]
故300x16mm的边环梁是安全可靠的。
下图为最大不对称荷载下的网壳杆件弯曲应力图
下图为最大不对称荷载下的网壳杆件轴向应力图
七、网壳刚度的变形验算
根据JGJ61-2003《网壳结构技术规程》第3.0.14条网壳的最大允许计算变形为：
D/400=34000/400=85mm。
下图是在均布荷载作用下网壳的变形：
从计算结果可知：网壳的最大竖向变形为85mm<[92.5]
满足JGJ61-2003第3.0.14条要求。
八、网壳的整体稳定计算
按JGJ61-2003要求用ANSYS软件进行准确分析
ANSYS软件的整体稳定分析，具有自动荷载步长，收敛快速等特点。可以考虑壳体的各种初始缺陷，是结构非线性及整体稳定分析的良好工具。
8.1规范相关要求
根据《网壳结构技术规程》(JGJ61-2003)第4.3.4的规定，进行网壳结构考虑初
始几何缺陷的全过程分析求得的第一个临界点处的荷载值，可作为结构的极限承载
力。将极限承载力除以系数K后，即为按网壳稳定性确定的容许承载力(标准值)。系
数取5。
8.2计算原理
按照《网壳结构技术规程》(JGJ61-2003)4.3.2条的规定，网壳的稳定性可按考虑
几何非线性的有限元分析方法(荷载－位移全过程分析)进行计算，分析中假定材料保
持为线弹性。
下图是在不均布荷载作用下网壳的变形：
荷载－位移全过程分析采用的迭代方程如下：
式中——t时刻结构的切线刚度矩阵；
——当前位移的迭代增量；
——时刻外部所施加的节点荷载向量；
——时刻相应的杆件节点内力向量。
8.3初始缺陷分布模态的确定
按照《网壳结构技术规程》(JGJ61-2003)第4.3.3的规定，在进行整体稳定分析
时，应考虑初始曲面安装偏差的影响；可采用结构几何非线性屈曲分析的最低阶屈曲
模态作为初始缺陷分布模态。因此对结构进行几何非线性屈曲分析，取第一阶失稳模
态表现为钢网壳中部竖向的整体失稳模态。
8.4初始缺陷最大计算值的确定
根据《网壳结构技术规程》(JGJ61-2003)第4.3.3的规定，初始缺陷最大计算值
可按网壳跨度的1/300取值。通常，缺陷的最大值应采用施工中允许的最大安装偏
差，规范中该值的确定主要是考虑通常当缺陷达到跨度的1/300左右时，其影响才充
分体现。本工程最大跨度为34000mm，根据规范规定将初始缺陷最大计算值确定为
123.3mm。初始缺陷分布模态按第一阶失稳模态确定。
下图是本网壳的第一阶失稳模态图。
8.5计算结果
从ANSYS的大变形非线性分析结果可知，网壳的整体失稳的荷载点是24413N。
故网壳稳定的安全系数为：
K＝24413/[1.3692(850+1800)]＝6.73>[5]
故结构整体稳定性满足JGJ61-2003第4.3.4条的规定。
网壳顶节点的应力应变曲线：
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