貯液結(jié)構(gòu)地震反應數(shù)值分析及應用方法研究

胡明祎

（中國地震局工程力學研究所，哈爾濱150080）

貯液結(jié)構(gòu)地震反應數(shù)值分析及應用方法研究

胡明祎

（中國地震局工程力學研究所，哈爾濱150080）

貯液結(jié)構(gòu)是一種極為重要的構(gòu)筑物，與人民群眾日常生產(chǎn)和生活息息相關。隨著貯液不同，貯液結(jié)構(gòu)廣泛應用于生命線工程和能源與化工領域，如水塔、水箱、儲油罐、儲酸罐、消化池、降溫池、冷凝器等，其結(jié)構(gòu)形式也多種多樣，包括半地下式、立式、臥式、支承式等。

由于存在液固耦合作用，這種結(jié)構(gòu)動力響應極為復雜，尤其是強地震動作用下，引起的震害現(xiàn)象千差萬別。歷次震害表明，高烈度區(qū)大量貯液結(jié)構(gòu)受到破壞，如浮放支座移位、支承結(jié)構(gòu)移位、基底開裂、結(jié)構(gòu)壁斷裂等等，這些地震災害直接導致貯液結(jié)構(gòu)損壞，其原有功能喪失，生產(chǎn)和生活被迫中斷，造成極大的經(jīng)濟損失。

此外，貯液結(jié)構(gòu)內(nèi)部的貯液有時也是極大危險源，貯液結(jié)構(gòu)受到破壞后，容易引起貯液泄露，進而引發(fā)火災、環(huán)境污染等次生災害。2011年3月11日日本東海岸發(fā)生9.0級地震，地震和隨后的海嘯造成福島核電站中的貯液結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受損，致使降溫系統(tǒng)失去功能，引發(fā)了重大核泄漏事故。

從20世紀30年代開始，大批學者針對貯液結(jié)構(gòu)地震反應進行了相關研究，其中包括建立理論分析模型、液固耦合作用效應、簡化方法工程應用、地震反應規(guī)律分析、抗震設計方法和數(shù)值分析技術等等。但是從工程應用角度，貯液結(jié)構(gòu)地震反應仍然有很多課題值得去研究，包括有限元建模方法、非線性算法、地震反應規(guī)律分析、工程抗震分析應用方法、優(yōu)化設計等等。

本文基于此背景，針對貯液結(jié)構(gòu)地震反應及相關數(shù)值分析方法進行了研究，主要工作和取得的成果如下：

（1）闡述了貯液結(jié)構(gòu)解析解難點是求解給定邊界條件和初始條件下Laplace方程，彈性邊壁解析解和Housner簡化計算均是建立在脈沖壓力和對流壓力理論假設基礎上的；Haroun-Housner模型和FE數(shù)值模型分別是建立在Housner剛性壁理論和速度勢理論基礎上的。本文對4種方法進行了對比，指出了FE數(shù)值模型的可靠性。

（2）基于經(jīng)典的N-R數(shù)值迭代理論，提出改進的N-R算法，考慮切線剛度和法線剛度共同協(xié)作的方式，增加單步迭代步長，提高非線性數(shù)值迭代求解效率；基于改進的N-R算法，提出超N-R算法，建立數(shù)值迭代和材料本構(gòu)之間的關聯(lián)性，進一步提高非線性數(shù)值迭代求解效率，并通過大量試算給出對于鋼材，比例系數(shù)較為穩(wěn)定的取值范圍在1.46左右；并針對貯液結(jié)構(gòu)非線性數(shù)值分析方法，提出采用外掛式開發(fā)模式和生死單元技術相結(jié)合的方法進行數(shù)值模擬。通過實例，驗證該方法的可行性和有效性。

（3）利用APDL語言成功實現(xiàn)了在ANSYS平臺上，建立了外掛模式的二次開發(fā)方法；已部分開發(fā)完畢建立在ANSYS平臺上的貯液結(jié)構(gòu)地震反應分析軟件程序，可以通過對相關子程序進行應用說明和推廣，使工程技術人員直接進行應用分析和設計；提出針對大型的復雜的FE模型進行三維梯度網(wǎng)格優(yōu)化劃分方法，以提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量；提出編制針對FE結(jié)構(gòu)信息存儲、讀取、批處理等程序，利用波前法技術，實現(xiàn)通過剛度矩陣修改等多種方法進行數(shù)據(jù)存儲量和計算量的壓縮，以提高FE分析的高效性和實用性。

（4）對貯液結(jié)構(gòu)FE分析模型的有效性、基于模態(tài)影響下控制網(wǎng)格劃分技術、ATOS轉(zhuǎn)換程序的開發(fā)、基于圣維南原理的子模型方法等多個方面進行了說明；對貯液結(jié)構(gòu)基本地震反應規(guī)律進行了計算，獲取了基本頻率、地震動輸入、壁厚、貯液量、跨高比等因素的影響規(guī)律，并研究了貯液結(jié)構(gòu)彈性變形對液動壓力、結(jié)構(gòu)有效應力、基底彎矩、基底剪力等的影響。

（5）基于貯液結(jié)構(gòu)地震反應規(guī)律研究，針對常規(guī)立式貯液結(jié)構(gòu)“象足”效應等，利用FE數(shù)值分析和插值理論相結(jié)合的方式，編制了樣條插值分析和擬合程序，提出對“象足”位置進行快速確定的函數(shù)形式，給出了函數(shù)中系數(shù)取值參照表。利用這種方式，可以實現(xiàn)快速確定“象足”位置。據(jù)此，可以一定程度上針對“象足”效應進行高效的抗震設計應用。

（6）基于ESO形狀拓撲理論，針對貯液結(jié)構(gòu)輪廓形狀優(yōu)化設計，提出將單元非連續(xù)性分類判別方式引入到ESO理論中，可以有效解決為提高效率而增加刪除率時引起的結(jié)構(gòu)剛度矩陣奇異、拓撲過程不連續(xù)問題。

（7）首次將智能優(yōu)化算法引入到貯液結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設計中，提出將ACO方法和子結(jié)構(gòu)方法進行互相嵌入使用，通過該方法可以有效減少大規(guī)模數(shù)值問題的計算量；基于PSO算法和DE算法，提出了PSO-DE聯(lián)合優(yōu)化方法對貯液結(jié)構(gòu)進行參數(shù)優(yōu)化計算方法，通過飛行、變異、交叉以提高優(yōu)化算法效率，擴大了全局搜索范圍，避免計算過早陷入局優(yōu)，并加速了迭代收斂的速度。

貯液結(jié)構(gòu)；地震反應；數(shù)值分析方法；N-R算法；優(yōu)化

（作者電子信箱，胡明祎：humingyi＠ceedi.cn）

TU352.1；

A；

10.3969／j.issn.0235-4975.2013.04.014