立式儲罐疊層橡膠隔震3階段設(shè)計(jì)

孫建剛，崔利富，王 振，杜蓬娟

(1.大連民族學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，116600遼寧大連，sjg728@163.com; 2.大連海事大學(xué)道路與橋梁工程研究所，116026遼寧大連)

立式儲罐作為石油化工等領(lǐng)域的重要設(shè)施，一旦發(fā)生地震災(zāi)害不僅僅造成直接的經(jīng)濟(jì)損失，更為危險(xiǎn)的是易于引發(fā)次生災(zāi)害，污染環(huán)境并對社會的穩(wěn)定造成影響.關(guān)于該類設(shè)施地震災(zāi)害的報(bào)告可見文獻(xiàn)［1－2］.引發(fā)儲罐破壞的因素可分為液體晃動、提離、動液壓力增加.晃動沖擊過大易于引發(fā)浮頂儲罐浮頂?shù)氖Х€(wěn)、拱頂罐的癟頂;提離的增加易于造成連接部位的破壞、產(chǎn)生附加軸向應(yīng)力引起罐壁“象足”屈曲破壞;動液壓力的增加易于造成罐壁軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力加大，產(chǎn)生“菱形”屈曲破壞.關(guān)于立式儲罐的抗震設(shè)計(jì)，可以采取傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)控制方法兩種途徑.傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)是以所預(yù)期的地震動產(chǎn)生的峰值指標(biāo)為輸入?yún)?shù)，通過選擇各構(gòu)件的材料性能、幾何構(gòu)造來滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定、晃動等約束量，已被各國儲罐抗震設(shè)計(jì)規(guī)范采用，其主要控制指標(biāo)是晃動波高和軸向應(yīng)力.結(jié)構(gòu)控制思想［3］源于土木工程，從控制手段來看，針對大型立式儲罐而言，較為有效的方法是隔震.關(guān)于這方面的研究，國內(nèi)孫建剛等［4－6］已做了相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，國外Chalhoub等［7］進(jìn)行了儲罐地震動振動臺效應(yīng)的研究.Kim等［8］進(jìn)行了橡膠基礎(chǔ)隔震的單向激勵研究.Malhotra［9］研究了周邊橡膠支撐的隔震儲罐，Shrimali等［10］研究了高矮罐的隔震效應(yīng).Jadhav等［11］研究了不同隔震支撐的隔震效應(yīng).從以上研究可以得到以下結(jié)論:隔震是立式儲罐減小地震響應(yīng)的有效方法之一;隔震對基底剪力控制有效，可降低罐壁的軸向應(yīng)力，減少屈曲效應(yīng);隔震引入長周期，對晃動長周期效應(yīng)起放大作用，但可通過優(yōu)化隔震參數(shù)調(diào)整放大幅度;隔震參數(shù)對儲罐的地震響應(yīng)有影響，存在優(yōu)化問題.

綜上所述，從提高儲罐抗震安全儲備角度講，隔震是一種有效的減震方法.但目前所研究的方法，多數(shù)是將對流、液固耦聯(lián)，剛性運(yùn)動三者耦聯(lián)來分析隔震的地震響應(yīng).本文的思想是:由于對流晃動是長周期的，液固耦聯(lián)是短周期的，在分析問題時，將兩者割離開來，分別討論，然后考慮綜合效應(yīng).從分析問題技術(shù)路線上看，這樣更易于工程設(shè)計(jì)人員理解和應(yīng)用.

1 設(shè)計(jì)思想

由于儲罐為液固耦聯(lián)振動體系，長周期反應(yīng)對應(yīng)的是表面對流晃動，其基本振動周期一般在4 s以上，短周期反應(yīng)對應(yīng)液固耦聯(lián)振動，一般僅為0～1 s，隔震對晃動周期的影響又不大，故可將對流晃動和耦聯(lián)振動考慮為不耦合.基于這一思想將儲罐的隔震設(shè)計(jì)分為3階段.首先以不考慮罐壁彈性的剛性晃動分析力學(xué)模型為主，如圖1所示，研究隔震引起的晃動效應(yīng)和基底剪力，以隔震和無隔震晃動波高的比值為控制界限調(diào)整隔震頻率，優(yōu)化隔震頻率和阻尼比;其次以考慮罐壁彈性，忽略晃動的彈性耦聯(lián)振動力學(xué)模型為主，如圖2所示，研究彈性體系的基底剪力降低效應(yīng);最終考慮到兩者之間的相互影響，考慮到晃動和彈性耦聯(lián)振動最大值不能同時發(fā)生，以兩者基底剪力最大值的平方和開平方組合值及晃動對流的波高最大值作為設(shè)計(jì)參考值.

2 3階段設(shè)計(jì)分析理論

2.1 剛性晃動分析理論

以圖1所示的簡化力學(xué)模型為研究對象，其運(yùn)動分析方程為

式中:ms為晃動對流質(zhì)量，m0為剛性運(yùn)動質(zhì)量，¨s(t)、¨x0(t)分別為晃動質(zhì)量和橡膠支撐頂部加速度，˙s(t)、˙x0(t)、s(t)、x0(t)為分別相應(yīng)質(zhì)量的速度、位移，cs為晃動阻尼，c0為隔震層阻尼，ks為晃動剛度，k0為隔震層剛度，¨xg(t)為地面運(yùn)動加速度.

圖1 晃動對流簡化分析力學(xué)模型

圖2 彈性耦聯(lián)振動簡化分析力學(xué)模型

式中:Qc為隔震基底剪力，hv為隔震晃動波高，各參數(shù)的具體表達(dá)可參見文獻(xiàn)［12］.

波高控制界限值取為

其基底剪力和波高為

式中:hvn為無隔震時的波高最大值，hv為隔震時的波高最大值.

式(4)說明選取隔震參數(shù)時，晃動波高的放大效應(yīng)不應(yīng)超過10%，以確?；蝿記_擊力不能引起浮頂?shù)姆€(wěn)定破壞.通過該式可以調(diào)整隔震設(shè)計(jì)的初始隔震頻率，確保隔震產(chǎn)生降低罐壁軸向效應(yīng)的同時，不引起晃動波高的放大.

2.2 彈性耦聯(lián)振動分析理論

在上述晃動分析給出的隔震參數(shù)基礎(chǔ)上，以彈性耦聯(lián)振動簡化分析力學(xué)模型(圖2)為研究對象，其運(yùn)動分析方程為

式中:m1為儲罐壁與液體耦聯(lián)振動質(zhì)量，c1為耦聯(lián)振動阻尼常數(shù)，k1為耦聯(lián)振動剛度，¨y(t)、˙y(t)、y(t)分別為耦聯(lián)振動質(zhì)點(diǎn)相對加速度、速度和位移，其他參數(shù)的含義同式(1).

彈性耦聯(lián)振動引起的基底剪力為

2.3 基底總剪力和傾覆力矩

在式(1)～(6)的分析基礎(chǔ)上，將兩者所獲得的基底剪力最大值組合，即

3 數(shù)值例證

針對工程常用系列浮頂儲罐，在線性隔震狀態(tài)下，分別取隔震周期T=2、3、4、5 s，隔震層阻尼比ξ=0.2，地震動為El-Centro波，加速度峰值為0.4 g.典型浮頂罐的基本參數(shù)及剛性理論、彈性理論計(jì)算參數(shù)見表1，采用Wilson-θ時程積分法求解式(1)和式(6)，并由相關(guān)式分析的地震響應(yīng)結(jié)果分別見表2和表3.

表1 系列儲罐參數(shù)表

表2 剛性晃動理論儲罐地震響應(yīng)減震率

表3 彈性理論儲罐基底剪力減震率

從表2可以看出，容積不同，隔震周期對晃動波高的影響是不同的.對大容積的儲罐，如:150× 103m3的儲罐，在所給的隔震周期范圍內(nèi)，其波高均有減小，從這一點(diǎn)看，當(dāng)考慮150×103m3儲罐的隔震設(shè)計(jì)時，由于波高無放大效應(yīng)，其優(yōu)化的目標(biāo)是基底剪力的減少幅度.對小容積的儲罐，例如2 000 m3的儲罐，在所給的隔震周期范圍內(nèi)，其波高有放大和減小，這時若以波高減震率為控制指標(biāo)，只有T=4 s和T=5 s滿足要求，其剛性晃動理論的基底剪力減震率分別為 85.90%、90.21%，彈性理論(表3)的基底剪力減震率分別為89.14%、93.15%.按此思想設(shè)計(jì)，T=4 s和T=5 s滿足波高減震率控制指標(biāo)的儲罐隔震基底剪力設(shè)計(jì)值可由(7)式給出，由式(7)算得基底剪力最大值與3質(zhì)點(diǎn)體系［12］的分析結(jié)果比較見表4.從表4給出的滿足波高減震率控制指標(biāo)的儲罐隔震的基底剪力設(shè)計(jì)值分析可知，采用本文所建議的方法，在工程設(shè)計(jì)中安全裕度更大，主要體現(xiàn)在兩方面:一是控制了波高的放大效應(yīng)，使得浮頂?shù)臎_擊力增加幅度較小;二是放大了基底剪力的設(shè)計(jì)值，相當(dāng)于在3質(zhì)點(diǎn)體系理論基底剪力分析值的基礎(chǔ)上又乘了一個放大系數(shù)，這一系數(shù)在1.3～1.7之間.

表4 本文基底剪力設(shè)計(jì)值與3質(zhì)點(diǎn)體系理論值

4 結(jié)論

1)采用3階段設(shè)計(jì)思想可以保證對波高的放大效應(yīng)的控制，并能夠確?；准袅Φ母粽鹦Ч?

2)以剛性晃動的隔震和無隔震晃動波高的比值為控制界限調(diào)整隔震頻率，以彈性耦聯(lián)振動研究彈性體系的基底剪力降低效應(yīng)，考慮到兩者之間的相互影響，以兩者基底剪力最大值的平方和開平方組合值及晃動對流的波高最大值作為設(shè)計(jì)參考值的3階段設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)思想明確，分析方程簡單，易于理解.

3)3階段設(shè)計(jì)方法所提供的設(shè)計(jì)值與3質(zhì)點(diǎn)理論設(shè)計(jì)值比較，一方面控制了波高的放大效應(yīng)，使得浮頂?shù)臎_擊力增加幅度較小;另一方面放大了基底剪力的設(shè)計(jì)值，設(shè)計(jì)的結(jié)果安全裕度更大，有利于儲罐抗震的安全儲備.

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