談橡膠隔震支座性能及其對LNG 儲罐的隔震效果

黃陽谷 唐革新 安平生

(1.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007;2.寧夏路橋工程股份有限公司，寧夏銀川 750000)

發(fā)展低碳、清潔的液化天然氣產(chǎn)業(yè)是國家“十二五”能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要部分，截止到2020年，已建、在建和規(guī)劃的大型液化天然氣(LNG)接收站達(dá)到13個［1］。作為儲存液化天然氣的關(guān)鍵設(shè)備——大型LNG儲罐，具有投資大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安全性要求高等特點，一旦在地震中發(fā)生破壞，容易導(dǎo)致泄露、火災(zāi)、爆炸等，造成重大經(jīng)濟損失和災(zāi)難性后果。在地震多發(fā)區(qū)，儲罐抗震安全性顯得更為重要，如1995年日本阪神地震以及1999年土耳其Kocaeli地震，造成了大量的儲罐損壞［2］。儲罐的抗震安全問題已成為各國學(xué)者、工程師最為關(guān)注的課題之一。

精確模擬地震作用下儲罐的動態(tài)響應(yīng)是非常困難的，還存在一些需要解決的問題，比如儲罐內(nèi)部與所儲存液體的相互作用問題、豎向地震作用、液體大幅度晃動對儲罐頂部的作用以及對底板的提離問題等［3-5］。由于儲罐地震效應(yīng)的復(fù)雜性，以及地震或者地震烈度的不確定性，尋找一種切實可行、安全可靠的儲罐抗震技術(shù)顯得尤為重要。隔震技術(shù)作為一種積極、有效的抗震策略已大量應(yīng)用于房屋建筑與橋梁結(jié)構(gòu)。1997年韓國、1999年希臘、2000年瑞典、2006年中國陸續(xù)建成隔震儲罐。與房屋建筑與橋梁結(jié)構(gòu)隔震相比，從技術(shù)研究到工程應(yīng)用，儲罐隔震技術(shù)相對落后。

本文研究內(nèi)容分為兩部分:1)橡膠隔震支座力學(xué)性能研究。為了保證隔震的有效性、可靠性，需要了解隔震橡膠支座的各種性能，對此，進(jìn)行了多個項點的型式實驗，包括相關(guān)性能、耐久性，以及極限性能測試，給出了部分實驗結(jié)果。2)隔震效果分析。建立了16萬m3隔震儲罐結(jié)構(gòu)的計算模型，依據(jù)反應(yīng)譜反演地震波時程進(jìn)行非線性動力分析，給出了隔震前后動力響應(yīng)結(jié)果。所有研究結(jié)果可為相關(guān)設(shè)計、研究人員提供一定參考。

1 隔震橡膠支座性能研究

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 20688.3要求，制作了直徑600 mm，700 mm，800 mm的天然橡膠支座和鉛芯橡膠支座，進(jìn)行了剪應(yīng)變相關(guān)性、壓力相關(guān)性、加載頻率相關(guān)性、老化性能、反復(fù)加載次數(shù)相關(guān)性、溫度相關(guān)性、水平極限性能測試與徐變實驗。限于篇幅，以下給出了600 mm直徑鉛芯橡膠支座部分實驗結(jié)果。

1.1 剪應(yīng)變相關(guān)性

圖1給出了15 MPa下，水平性能與100%剪切變形時性能比值隨水平剪應(yīng)變的變化曲線?？梢钥闯?，隨著剪應(yīng)變的增大，支座屈服后剛度會逐漸降低，在小于75%剪應(yīng)變時下降較為明顯，而后有緩慢降低趨勢。250%剪應(yīng)變時的屈服后剛度與±100%時的比值為0.84。屈服力較穩(wěn)定，變化率不超過8%。

1.2 壓力相關(guān)性

圖1 剪應(yīng)變相關(guān)性試驗結(jié)果

圖2 給出了100%剪應(yīng)變下，水平性能與15 MPa時性能比值隨壓應(yīng)力的變化曲線?？梢钥闯?，隨著豎向壓應(yīng)力的增大，屈服后剛度下降明顯。25 MPa下屈服后剛度與15 MPa時的比值為0.66，而屈服力變化率不超過3%。

圖2 壓力相關(guān)性試驗結(jié)果

1.3 加載次數(shù)相關(guān)性

圖3 給出了100%剪應(yīng)變、15 MPa豎向壓下，水平性能與第3圈時水平性能的比值隨加載圈數(shù)的變化曲線。50次加載后水平性能變化率不超過7%。

1.4 溫度相關(guān)性

根據(jù)100%剪應(yīng)變、15 MPa豎向壓下，不同溫度測試結(jié)果。與標(biāo)準(zhǔn)溫度23℃的結(jié)果相比，隨著溫度增加，屈服后剛度和屈服力均下降。－20℃與標(biāo)準(zhǔn)溫度條件下，屈服后剛度的比值為1.28，屈服力的比值為1.42。40℃與標(biāo)準(zhǔn)溫度條件下，屈服后剛度的比值為0.95，屈服力的比值為0.85。

圖3 加載次數(shù)相關(guān)性試驗結(jié)果

1.5 老化性能

進(jìn)行了熱老化試驗，老化前后水平力—位移滯回曲線的對比見圖4。老化后屈服后剛度和屈服力變化不明顯。

圖4 老化性能測試結(jié)果

1.6 極限性能試驗

圖5 給出了15 MPa豎向壓力，水平400%剪應(yīng)變時的恢復(fù)力—位移滯回曲線。可以看出，大變形條件下支座未發(fā)生破壞，具有優(yōu)異的水平變形能力。

圖5 極限性能試驗

2 隔震效果分析

如圖6所示，以16萬m3大型LNG儲罐為研究對象。該儲罐內(nèi)罐直徑約80 m，外罐壁高約38 m。下部采用樁基礎(chǔ)，共安裝356個橡膠隔震支座。隔震層上部結(jié)構(gòu)總質(zhì)量約108kg。要求隔震結(jié)構(gòu)周期不小于2 s，隔震層最小阻尼比不小于10%。

2.1 模型建立

液體在柔性儲罐中通常采用集中質(zhì)量，亦即Haroun模型進(jìn)行模擬。隔震儲罐分析力學(xué)模型簡化為如圖7所示的三質(zhì)點體系，其中，mi，ki，ci分別為脈動質(zhì)點的質(zhì)量、等效剛度和等效阻尼，mc，kc，cc分別為對流質(zhì)點的質(zhì)量、等效剛度和等效阻尼，mb，kb，cb分別為剛性質(zhì)點的質(zhì)量(包含儲罐質(zhì)量和底部液體沿著儲罐壁做剛性運動的質(zhì)量)、隔震層等效剛度和等效阻尼［6］。橡膠隔震支座采用Bouc-wen模型模擬。依據(jù)儲罐所在地的地震烈度、場地類別等設(shè)計參數(shù)，確定設(shè)計反應(yīng)譜，并反演為地震波(人工地震波)時程以進(jìn)行后續(xù)非線性動力時程分析，如圖8所示。SSE工況下人工波反應(yīng)譜和期望反應(yīng)譜的對比如圖9所示，可看出在各周期點上誤差較小。

圖7 三質(zhì)點基礎(chǔ)隔震體系簡化模型

圖8 人工地震曲波

圖9 反應(yīng)譜曲線

2.2 地震響應(yīng)分析結(jié)果

采用SAP2000進(jìn)行地震響應(yīng)分析，選擇非線性動力時程分析方法。從圖10可以看出，SSE水準(zhǔn)地震荷載作用下，隔震后的基底剪力減小幅度達(dá)到80%，而對流質(zhì)點水平向絕對加速度基本保持不變(見圖11)。隔震層橡膠隔震支座滯回曲線飽滿(見圖12)。經(jīng)計算，等效隔震周期為2.4 s，等效阻尼比約為20%，達(dá)到了預(yù)期隔震效果。

圖10 隔震前后基底剪力對比

3 結(jié)語

對橡膠隔震支座進(jìn)行了型式試驗，試驗結(jié)果表明，基于天然橡膠的隔震支座力學(xué)性能較穩(wěn)定、耐久性和極限變形性能優(yōu)良，是一種性價比較高的隔震裝置。

圖11 隔震前后對流質(zhì)點加速度對比

圖12 隔震層橡膠支座水平滯回曲線

采用橡膠隔震支座后，儲罐基底剪力響應(yīng)明顯降低，對流質(zhì)點加速度基本無變化，表明了隔震的有效性。

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