LNG儲(chǔ)罐外殼自振特性及地震響應(yīng)分析

邵正飛 張文福 常 亮

在過(guò)去的幾十年中，世界液化天然氣消費(fèi)量已增長(zhǎng)了 5倍，而且據(jù)國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)這一增長(zhǎng)勢(shì)頭將繼續(xù)加強(qiáng)。因此用來(lái)儲(chǔ)存液化天然氣的儲(chǔ)罐(LNG儲(chǔ)罐)建造量不斷增多，并向著大型化發(fā)展，最大可達(dá) 20×104m3，直徑約 100m，如此巨大的圓柱形結(jié)構(gòu)，越來(lái)越受到人們的重視，因?yàn)長(zhǎng)NG儲(chǔ)罐造價(jià)本身很昂貴，一旦在地震中發(fā)生破壞，將不可能修復(fù)。另外，破壞時(shí)也會(huì)產(chǎn)生如液體泄漏、爆炸等次生災(zāi)害[1]。從學(xué)術(shù)研究上來(lái)說(shuō)，大型 LNG儲(chǔ)罐抗震性能也將是未來(lái)結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域中最具研究?jī)r(jià)值的方向之一(見圖1)。

本文針對(duì)某大型LNG儲(chǔ)罐，建立混凝土外殼的有限元模型，通過(guò)對(duì)有限元模型分析，得到了LNG儲(chǔ)罐外殼的自振特性和地震響應(yīng)，為此類LNG儲(chǔ)罐的抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 LNG儲(chǔ)罐外殼有限元模型的建立

由于罐壁厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度和內(nèi)徑，故可以將其視為板殼問(wèn)題，采用殼單元。本文采用ANSYS軟件對(duì)LNG儲(chǔ)罐外殼進(jìn)行模擬，采用的單元是Shell63單元。Shell63為八節(jié)點(diǎn)六面體單元，用于三維實(shí)體結(jié)構(gòu)分析。本文根據(jù)文獻(xiàn)[1]提供的數(shù)據(jù)，設(shè)定 LNG儲(chǔ)罐有限元模型參數(shù)，其基本參數(shù)如表 1所示。本文中未考慮內(nèi)罐貯液的影響。儲(chǔ)罐的下部邊界條件可以取固接，即不考慮底板對(duì)有限元模型的影響。LNG儲(chǔ)罐有限元模型見圖2。

表1 混凝土LNG儲(chǔ)罐基本參數(shù)

2 LNG儲(chǔ)罐外殼模態(tài)分析

LNG儲(chǔ)罐外殼的頻率與模態(tài)。前 10階頻率及所對(duì)應(yīng)的最大位移s和環(huán)向波數(shù)k見表 2，圖3給出前2階模態(tài)。

LNG儲(chǔ)罐外殼有限元模型除豎向振動(dòng)外，每一個(gè)頻率值都對(duì)應(yīng)兩種振型，兩種振型的環(huán)向波數(shù)k值和最大相對(duì)位移s相同，只是兩種振型關(guān)于XOZ和YOZ平面的對(duì)稱性不同，如圖3所示，一階振型為正對(duì)稱，二階振型為反對(duì)稱。即對(duì)于每一個(gè)ω可求得兩個(gè)特征向量，且兩個(gè)特征向量對(duì)應(yīng)的最大相對(duì)位移值相等。在豎向產(chǎn)生半個(gè)波，由于罐壁頂部環(huán)梁的作用，環(huán)向最大相對(duì)位移處于罐壁中間位置，當(dāng)出現(xiàn)豎向振動(dòng)時(shí)，穹頂?shù)南鄬?duì)位移較大。

3 LNG儲(chǔ)罐外殼地震響應(yīng)分析

本工程的抗震設(shè)防烈度為 8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.30g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地土類別為第Ⅱ類。根據(jù)上述工程情況和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，依據(jù) 2+1原則，選取了El-centro波和Taft波外加一條人工波，原始波形見圖4。

表2 LNG儲(chǔ)罐外殼前10階頻率及所對(duì)應(yīng)的最大位移s和環(huán)向波數(shù)k

將上述三條地震波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)整后，利用ANSYS特有的APDL[6]語(yǔ)言編寫程序，沿X方向讀入三條地震波進(jìn)行LNG儲(chǔ)罐外殼瞬態(tài)響應(yīng)分析。

圖5為儲(chǔ)罐在達(dá)到響應(yīng)最大時(shí)刻的位移與等效應(yīng)力云圖，較好的顯示了儲(chǔ)罐最大反應(yīng)時(shí)刻的應(yīng)力與位移分布情況，顏色的深淺對(duì)應(yīng)于反應(yīng)值的大小，由圖可知，罐壁節(jié)點(diǎn)位移隨高度增大，相同高度處周向位移相差較小。罐壁等效應(yīng)力沿豎向高度增加而減小，且罐壁底部最大位移發(fā)生在與地震波夾角成 90°方向上。儲(chǔ)罐穹頂處沿地震波方向的位移較大，呈帶狀分布，等效應(yīng)力沿穹頂徑向逐漸增大。三種地震波作用下罐壁及穹頂 X，Y兩個(gè)方向的最值見表 3。

表3 三種地震波作用下LNG儲(chǔ)罐外殼的極值

4 結(jié)語(yǔ)

1)利用ANSYS單元庫(kù)中的殼單元(Shell63)建立LNG儲(chǔ)罐的有限元模型，并獲得了LNG儲(chǔ)罐外殼有限元模型的前10階頻率及所對(duì)應(yīng)的最大位移s、環(huán)向波數(shù)k和振型規(guī)律。

2)按《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，采用兩組天然地震波(Taft波、El-centro波)和一組人工波對(duì)LNG儲(chǔ)罐鋼—混凝土夾心外殼進(jìn)行地震響應(yīng)分析，得到罐壁與穹頂位移及內(nèi)力分布規(guī)律，即位移與加速度沿罐壁高度方向依次增大，穹頂中心點(diǎn)位移最大、應(yīng)力最小，罐壁底部單元應(yīng)力最大。

[1] Design and construction aspects of post-tensioned LNG storage tanks in Europe and Australasia[Z].2007.

[2] R.克拉夫，J.彭津.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)[M].第2版.北京:高等教育出版社，2000.

[3] GB 50011-2001，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] GB 50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[5] ANSYS programmer'smanual[M].ANSYS Inc，1998.

[6] 博弈創(chuàng)作室.APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2004.