CN113155621A - 一种lng储罐穹顶大跨度稳定性实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种LNG储罐穹顶大跨度稳定性实验装置及方法，包括实验模型、加载机构、监测机构和数据采集机构；实验模型呈拱形，且实验结构的主体为单层肋环型球面网壳结构；加载机构用于对实验模型上的加载点进行加载；在加载点处设置有监测机构，监测机构用于对加载点的力学状态、位移状态及应变状态进行监测；监测机构与数据采集机构电信号连接。可对实验环境下大跨度穹顶，在内外部载荷作用下(如混凝土浇筑)的稳定性变化进行连续性动态监测，以有效测试大跨度穹顶的整体承载力及稳定性，帮助解决超大型储罐穹顶设计技术困难。

Description

一种LNG储罐穹顶大跨度稳定性实验装置及方法
技术领域
本发明涉及特大型LNG储罐设计技术领域，特别是涉及一种LNG储罐穹顶大跨度稳定性实验装置及方法。
背景技术
LNG储罐肩负着存储LNG的重要作用，其安全运行对整个LNG产业链的顺畅都具有举足轻重的作用。近年来，因天然气的需求量不断提高，天然气得到了大幅度的开发和利用，LNG储罐也向大储量的方向发展。与常规的储罐相比，超大型LNG储罐穹顶重量增加，面积增加几千平方米，且存在跨度大、罐体直径长且水平刚度低、储罐结构自振模态振型复杂、浇筑困难等多个技术难点，独立掌握超大型LNG储罐穹顶设计和建造技术已经迫在眉睫，这对推动我国国民经济的发展具有重大的战略意义和经济意义。
22x104m3LNG储罐是国内目前在建单罐容量最大的LNG储罐，国内只有少数几家设计或科研单位掌握全套设计技术，并且目前缺乏针对LNG储罐大跨度穹顶稳定性的实验研究。为满足国内对开展储罐穹顶设计工作的数据和理论支撑要求，提供一种LNG储罐穹顶大跨度稳定性实验装置及方法，对揭示大跨度穹顶在内外载荷作用下(如混凝土浇筑)稳定性的变化规律及破坏机理具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种LNG储罐穹顶大跨度稳定性实验装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够有效监测大跨度穹顶的整体承载力及稳定性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种LNG储罐穹顶大跨度稳定性实验装置，包括实验模型、加载机构、监测机构和数据采集机构；所述实验模型呈拱形，且实验结构的主体为单层肋环型球面网壳结构；所述加载机构用于对所述实验模型上的加载点进行加载；在所述加载点处设置有所述监测机构，用于对加载点的力学状态、位移状态及应变状态进行监测；所述监测机构与所述数据采集机构电信号连接。
优选地，所述实验模型包括主径肋、次径肋、环杆和加强肋，单层肋环型球面网壳结构的实验模型的网壳呈对称结构，主径肋和次径肋二者沿网壳的径向平均分布并在球顶相交；环杆及加强肋呈现沿网壳圆周方向的环向分布，且环杆及加强肋与主径肋和次径肋组成刚性互交体系。
优选地，所述实验模型还包括周边支撑，所述周边支撑由最***次径肋焊接的方钢以及在最外圈次径肋的居中位置环向布置的方钢构成，所述周边支撑用于对框架模型施加有效的全约束。
优选地，所述环杆、主径肋、次径肋和加强肋连接形成从拱顶至下部由大到小的多个单元网格，且每个节点仅有两根杆件交汇；所述加载点的位置为主径肋或次径肋与环杆或加强肋相交构成的刚性互交体系的节点的上表面。
优选地，所述加载机构包括液压加载器、液压承力架、管路***及液压操纵台，所述液压加载器用于对加载点施加载荷，所述液压承力架用于承受液压加载器对实验模型加载时产生的平衡力系；所述管路***用于将所述液压加载器和液压承力架与液压操纵台相连以实现液压加载；所述液压操纵台用于控制现场输出设备的状态，进行自动控制加载。
优选地，所述监测机构包括电阻应变片、应变仪和温度补偿片，所述电阻应变片布置在所述加载点处，所述电阻应变片与应变仪电信号连接；所述温度补偿片采用补偿块补偿法基于电桥特性设置，且所述温度补偿片与应变仪相连并用于消除温度变化对电阻应变片所产生的影响。
优选地，所述监测机构还包括位移传感器和拉力传感器，所述拉力传感器布置在所述加载点的下方，同时，所述加载点的下方还固定有所述位移传感器，所述位移传感器与地面之间留有间距；所述位移传感器和拉力传感器均与所述数据采集机构电信号连接。
优选地，所述数据采集机构包括有数据采集卡和数据采集处理***，所述位移传感器和拉力传感器与所述数据采集卡通过电信号连接。
一种LNG储罐穹顶大跨度稳定性实验方法，应用于上述的LNG储罐穹顶大跨度稳定性实验装置，包括以下步骤：
第一步：根据实验需要选定加载点的数量和位置，并在加载点处粘贴电阻应变片；
第二步：对实验装置及仪器进行正确的连线和焊接，并利用万用电表仪器及时进行检测，确保实验仪器及线路准确可用；
第三步：利用液压加载机构进行预载实验，并循环两次，而后卸载，检查装置和人员的可靠性，消除节点和结合部位的间隙，使结构进入正常工作状态；
第四步：采用分级等量的荷载方式并利用液压加载器进行加载，先施加初载，初载施加完毕后将仪器调零并同时记录应变仪、位移传感器和拉力传感器的数据作为初读数；
第五步：分级加载，每加一级载荷后需要稳载5分钟，然后读取各参数数据；
第六步：为避免实验的偶然性误差，需进行至少两次的加载循环；
第七步：读取数据采集机构实验数据，对获取的数据进行分析和处理。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
1、本发明所提供的一种LNG储罐穹顶大跨度结构性能实验装置，可对实验环境下的大跨度穹顶加载过程的结构性能变化进行连续性动态监测，有效检验穹顶设计计算结果，保证穹顶设计结构强度，提升设计的准确性，并支持穹顶水泥浇注施工作业，从而为穹顶的实际建造和施工提供支持。
2、本发明所提供的框架模型构造简单，实用性强，安全性高，方便进行扩展，可为揭示LNG储罐大跨度穹顶加载过程的结构性能变化规律和破坏机理提供重要的参考作用。
3、本发明提供的加载装置可实现载荷在空间和加载力上的灵活布置，以有效模拟实际工况下的LNG储罐穹顶载荷工况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实验模型的俯视图；
图2为LNG储罐穹顶大跨度稳定性实验装置的整体结构示意图；
图3为实验模型周边支撑部分结构示意图；
图4为液压加载机构的工作示意图(其中A点为加载点)；
图5为实验过程中加载、监测及数据采集的整体示意图；
其中，11.主径肋、12.次径肋、13.环杆、14.加强肋、15.周边支撑；16.方钢；21.加载点、22.电阻应变片、23.应变仪、24.温度补偿片、25.数据采集卡、26.数据采集处理***；31.实验模型、32.拉力传感器、33.位移传感器、34.液压加载器、35.液压承力架、36.管路***、37.液压操纵台。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种LNG储罐穹顶大跨度稳定性实验装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够有效监测大跨度穹顶的整体承载力及稳定性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-5所示，本实施例提供一种储罐穹顶大跨度稳定性实验装置，包括实验模型31、加载机构、监测机构、数据采集机构。
本发明中的主径肋11及次径肋12组成了实验模型31的径肋，二者沿径向平均分布，在球顶相交；环杆13及加强肋14呈现沿圆周方向的环向分布，并与主径肋11、次径肋12组成刚性互交体系；周边支撑15由最***次径肋焊接的方钢16以及在最外圈次径肋的居中位置环向布置的方钢16构成，以对实验模型施加有效的全约束，此处的方钢16也可以替换为H型钢。进一步的，附图1实验模型31呈拱形，主体结构为单层肋环型球面网壳，采用对称结构，轨道中任意对称面上曲线的曲率弧度均相等。实验模型中环杆13、主径肋11、次径肋12、加强肋14连接形成从拱顶至下部由大到小的多个单元网格，每个节点仅有两根杆件交汇，节点构造简单。
本发明的加载点21布置在主径肋11或次径肋12与环杆13或加强肋14相交构成的刚性互交体系的节点上表面，并利用多通道伺服液压加载***进行加载，以根据实验需要实现全面加载。
本发明的电阻应变片22主要布置在实验模型主径肋11或次径肋12与环杆13或加强肋14相交构成的刚性互交体系的节点外圈径肋上表面，当模型由于加载而发生机械变形时，电阻应变片22的电阻丝也随着一起变形，因而使电阻丝的电阻发生改变，变化值和应变片粘贴的构件表面的应变成正比。
本发明的应变仪23连接电阻应变片22，并将发生变化时的电阻应变片22的电阻信号转换成电压信号，再通过放大、滤波、模数转换等操作显示出相应应变值。温度补偿片24采用补偿块补偿法基于电桥特性设置，连接电阻应变片22及应变仪23。将粘贴在模型上用于测模型应变的电阻应变片22作为工作片，接入电桥的ab桥臂；另外以相同规格的电阻应变片22粘贴在与实验模型31相同材料但不参与变形的一块材料上，并保证处于同一温度条件下，接入电桥与工作片组成测量电桥的半桥，电桥的另外两桥臂为应变仪23内部固定无感标准电阻，组成等臂电桥，用以消除温度变化对电阻应变片22所产生的影响，反映模型的实际应变。
本发明的数据采集卡25连接拉力传感器32、位移传感器33，用以进行传感器数据的采集，并与数据采集处理***26相连，实现数据的采集处理。数据采集处理***26主要对实验装置运行过程进行监控，获取实验数据并进行分析和处理，辅助数据采集卡25实现实验过程的数据采集。
于本实施例中，拉力传感器32应与液压加载器34协同作用，布置在加载点21附近，并与数据采集卡25相连接。拉力传感器32使用两个拉力传递部分传力，当加载力发生变化时，拉力传感器32可将物理学数据信号变换为可精确测量的电子信号输出。位移传感器33应固定在加载点下方距离地面一定高度的位置，用以监测加载点的变形。
液压加载器34是液压加载机构一个主要部件，利用高压油泵将具有一定压力的液压油压入液压加载器34的工作油缸，使之推动活塞，对实验模型31施加荷载，并通过拉力传感器32测得所施加的荷载。液压承力架35用以承受液压加载器34对结构加载时产生的平衡力系。
管路***36用来连接液压加载机构的液压加载器34、液压承力架35、液压操纵台37，以实现模型的液压加载。本发明的液压操纵台37由各类阀门、液压元件和电器控制器件、可编程控制器(PLC)等器件组成，并通过管路***36与液压加载机构的各部分包括但不限于液压加载器34、液压承力架35等连接，监视现场的输入状态，根据逻辑控制器控制现场输出设备的状态，从而实现自动控制加载。
上述LNG储罐穹顶大跨度稳定性实验装置的实验方法，具体步骤如下：
第一步：根据实验需要选定加载点21的数量和位置，并在其外圈径肋上表面粘贴电阻应变片22。
第二步：对实验装置及仪器进行正确的连线和焊接，并利用万用电表等仪器及时进行检测，确保实验仪器及线路准确可用。
第三步：利用液压加载机构进行预载实验，并循环两次，而后卸载，检查装置和人员的可靠性，消除节点和结合部位的间隙，使结构进入正常工作状态。
第四步：采用分级等量的荷载利用液压加载器34进行加载，先施加较小初载，初载施加完毕后将仪器调零并同时记录应变仪23、位移传感器33、拉力传感器32等数据的初读数。
第五步：分级加载，每加一级载荷后需要稳载5分钟，然后读取各参数数据。
第六步：为避免实验的偶然性误差，需进行至少两次的加载循环。
第七步：读取数据采集机构实验数据，对获取的数据进行分析和处理。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种LNG储罐穹顶大跨度稳定性实验装置，其特征在于：包括实验模型、加载机构、监测机构和数据采集机构；所述实验模型呈拱形，且实验模型的主体为单层肋环型球面网壳结构；所述加载机构用于对所述实验模型上的加载点进行加载；在所述加载点处设置有所述监测机构，监测机构用于对加载点的力学状态、位移状态及应变状态进行监测；所述监测机构与所述数据采集机构电信号连接。
2.根据权利要求1所述的LNG储罐穹顶大跨度稳定性实验装置，其特征在于：所述实验模型包括主径肋、次径肋、环杆和加强肋，单层肋环型球面网壳结构的实验模型的网壳呈对称结构，主径肋和次径肋二者沿网壳的径向平均分布并在球顶相交；环杆及加强肋呈现沿网壳圆周方向的环向分布，且环杆及加强肋与主径肋和次径肋组成刚性互交体系。
3.根据权利要求2所述的LNG储罐穹顶大跨度稳定性实验装置，其特征在于：所述实验模型还包括周边支撑，所述周边支撑由最***次径肋焊接的方钢以及在最外圈次径肋的居中位置环向布置的方钢构成，所述周边支撑用于对框架模型施加有效的全约束。
4.根据权利要求2所述的LNG储罐穹顶大跨度稳定性实验装置，其特征在于：所述环杆、主径肋、次径肋和加强肋连接形成从拱顶至下部由大到小的多个单元网格，且每个节点仅有两根杆件交汇；所述加载点的位置为主径肋或次径肋与环杆或加强肋相交构成的刚性互交体系的节点的上表面。
5.根据权利要求1所述的LNG储罐穹顶大跨度稳定性实验装置，其特征在于：所述加载机构包括液压加载器、液压承力架、管路***及液压操纵台，所述液压加载器用于对加载点施加载荷，所述液压承力架用于承受液压加载器对实验模型加载时产生的平衡力系；所述管路***用于将所述液压加载器和液压承力架与液压操纵台相连以实现液压加载；所述液压操纵台用于控制现场输出设备的状态并进行自动控制加载。
6.根据权利要求1所述的LNG储罐穹顶大跨度稳定性实验装置，其特征在于：所述监测机构包括电阻应变片、应变仪和温度补偿片，所述电阻应变片布置在所述加载点处，所述电阻应变片与应变仪电信号连接；所述温度补偿片采用补偿块补偿法基于电桥特性设置，且所述温度补偿片与应变仪相连并用于消除温度变化对电阻应变片所产生的影响。
7.根据权利要求6所述的LNG储罐穹顶大跨度稳定性实验装置，其特征在于：所述监测机构还包括位移传感器和拉力传感器，所述拉力传感器布置在所述加载点的下方，同时，所述加载点的下方还固定有所述位移传感器，所述位移传感器与地面之间留有间距；所述位移传感器和拉力传感器均与所述数据采集机构电信号连接。
8.根据权利要求7所述的LNG储罐穹顶大跨度稳定性实验装置，其特征在于：所述数据采集机构包括有数据采集卡和数据采集处理***，所述位移传感器和拉力传感器与所述数据采集卡通过电信号连接，所述数据采集卡与数据采集处理***电联接。
9.一种LNG储罐穹顶大跨度稳定性实验方法，应用于权利要求1-8中任一项所述的LNG储罐穹顶大跨度稳定性实验装置，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：根据实验需要选定加载点的数量和位置，并在加载点处粘贴电阻应变片；
第二步：对实验装置及仪器进行正确的连线和焊接，并利用万用电表仪器及时进行检测，确保实验仪器及线路准确可用；
第三步：利用加载机构进行预载实验，并循环两次，而后卸载，检查装置的可靠性，消除节点和结合部位的间隙，使结构进入正常工作状态；
第四步：采用分级等量的荷载方式并利用液压加载器进行加载，先施加初载，初载施加完毕后将仪器调零并同时记录应变仪、位移传感器和拉力传感器的数据作为初读数；
第五步：分级加载，每加一级载荷后需要稳载5分钟，然后读取各参数数据；
第六步：为避免实验的偶然性误差，需进行至少两次的加载循环；
第七步：读取数据采集机构实验数据，对获取的数据进行分析和处理。
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