立式儲(chǔ)罐環(huán)墻滾動(dòng)隔震體系地震響應(yīng)數(shù)值仿真分析

李 想，孫建剛，崔利富，王 振，劉偉兵，楊海光

(1. 大連民族大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連116605;2.大慶油田有限責(zé)任公司 第二采油廠，黑龍江 大慶163000)

立式儲(chǔ)罐由于存貯易爆、易燃、有毒介質(zhì)，一旦發(fā)生地震災(zāi)害，容易誘發(fā)火災(zāi)和環(huán)境污染等次生災(zāi)害，甚至威脅到人的生命和財(cái)產(chǎn)安全?；A(chǔ)隔震技術(shù)是降低儲(chǔ)罐地震響應(yīng)比較成熟的方法。目前關(guān)于隔震儲(chǔ)罐的研究大多采用單一隔震裝置［1-7］，雖能有效降低儲(chǔ)罐的地震響應(yīng)，但不能有效控制儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的不均勻沉降。文獻(xiàn)［8］將滾動(dòng)隔震［9］和砂墊層隔震［10］并聯(lián)到一起，提出了一種新型的環(huán)墻滾動(dòng)隔震支撐與砂墊層組合的隔震基礎(chǔ)，該新型隔震裝置在地震荷載作用下環(huán)墻滾動(dòng)和砂墊層共同作用，起到具有隔震減震的效果，支撐由上下滾動(dòng)環(huán)墻、砂墊層和墊板構(gòu)成，可以起到調(diào)整儲(chǔ)罐中心點(diǎn)沉降和不均勻沉降的作用。本文在文獻(xiàn)［8］的基礎(chǔ)上，將環(huán)墻滾動(dòng)隔震基礎(chǔ)應(yīng)用于15 ×104m3大型立式儲(chǔ)罐如圖1，應(yīng)用ADINA 有限元數(shù)值仿真程序，建立環(huán)墻滾動(dòng)隔震儲(chǔ)罐的有限元分析模型，對(duì)水平地震激勵(lì)作用下環(huán)墻滾動(dòng)隔震儲(chǔ)罐進(jìn)行減震效應(yīng)分析。

圖1 環(huán)梁滾動(dòng)隔震儲(chǔ)罐

1 有限元模型建立

1.1 儲(chǔ)罐參數(shù)

以15 ×104m3立式儲(chǔ)罐為研究對(duì)象，儲(chǔ)罐半徑為50 m，總高度為21.7 m，儲(chǔ)液高度為20.1 m，罐壁沿高度方向共分8 層，每層厚度和高度見表1。

表1 15 ×104 m3 立式儲(chǔ)罐罐壁高度和厚度

材料屬性:罐壁鋼材密度7800 kg·m-3，彈性模量2.1 ×1011N·m-2，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度3.7×108N·m-2。設(shè)計(jì)安全考慮，儲(chǔ)罐內(nèi)液體密度取為1000 kg·m-3。

1.2 環(huán)墻滾動(dòng)隔震裝置參數(shù)

初步設(shè)計(jì)隔震上下環(huán)墻直徑同為100.65 m，截面尺寸為650 mm ×1700 mm，鋼球直徑0.325 m，墊板直徑99.35 m，高度0.12 m。

材料屬性:鋼板密度為7800 kg·m-3，彈性模量2.1×1011N·m-2，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度3.7 ×108N·m-2。環(huán)墻和墊板均為鋼筋混凝土材料，密度2500 kg·m-3，彈性模量2 ×1010N·m-2，泊松比0.3。砂墊層為中砂，基本參數(shù)見表2。

取環(huán)墻滾動(dòng)隔震周期T=2s，阻尼比ξ=0.1，按式(1)和式(2)計(jì)算出線彈簧總剛度和總阻尼，然后平均分配到上下環(huán)墻所對(duì)應(yīng)的線彈簧上，為簡(jiǎn)化計(jì)算考慮豎向彈簧單元?jiǎng)偠葻o窮大，阻尼為0，具體參數(shù)詳見表3。

表2 中砂參數(shù)表

表3 線彈簧剛度系數(shù)K 和阻尼系數(shù)C

1.3 單元選取及有限元模型建立

環(huán)墻和墊板采用八節(jié)點(diǎn)3 -D 實(shí)體單元;砂墊層如圖2，采用摩爾庫倫單元;鋼球如圖3，假定成帶有高度的線彈簧單元。儲(chǔ)罐罐壁采用4 節(jié)點(diǎn)殼單元來模擬;液體采用三維勢(shì)流體單元。有限元模型如圖4。

圖2 摩爾庫倫單元模型

圖3 線彈簧單元模型

圖4 隔震儲(chǔ)罐有限元模型

2 地震波選取

采用El -centro 波作為輸入地震波，加速度峰值為1.96 m·s-2，加速度時(shí)程如圖5。

圖5 El-centro 地震波加速度時(shí)程曲線

3 水平地震激勵(lì)下環(huán)墻滾動(dòng)隔震儲(chǔ)罐減震效應(yīng)分析

3.1 罐壁加速度和動(dòng)液壓力分析

圖6 沿罐壁高度加速度峰值分布

由圖6 可知非隔震儲(chǔ)罐沿罐壁高度方向加速度峰值逐漸放大，且峰值加速度為19.5 m·s-2，較輸入的地震波峰值相比放大了9.94 倍。從圖中可以看出環(huán)墻滾動(dòng)隔震儲(chǔ)罐與非隔震儲(chǔ)罐相比加速度峰值明顯降低，減震效果明顯。

圖7 沿罐壁高度動(dòng)液壓力峰值分布

從圖7 可知非隔震儲(chǔ)罐的動(dòng)液壓力峰值沿液體高度方向先增大而后減小，液體在4.32 m 處非隔震儲(chǔ)罐動(dòng)液壓力達(dá)到峰值83.81 KPa;從圖中可以明顯看出環(huán)墻滾動(dòng)隔震儲(chǔ)罐與非隔震儲(chǔ)罐相比動(dòng)液壓力明顯降低，峰值為60.97 KPa，減震率為27.25 %。

3.2 罐壁應(yīng)力分析

圖8 和圖9 為環(huán)墻滾動(dòng)隔震儲(chǔ)罐與非隔震儲(chǔ)罐環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力沿罐壁高度的分布。

圖8 環(huán)向應(yīng)力峰值沿罐壁高度分布

圖9 軸向應(yīng)力峰值沿罐壁高度分布

從圖8 可以看出非隔震儲(chǔ)罐在3 m-15 m 范圍內(nèi)儲(chǔ)罐罐壁的環(huán)向應(yīng)力很大，環(huán)墻滾動(dòng)隔震儲(chǔ)罐地震能量主要由隔震裝置吸收所以罐壁環(huán)向應(yīng)力有所降低;從圖9 可以看出隔震儲(chǔ)罐和非隔震儲(chǔ)罐軸向應(yīng)力呈現(xiàn)下部大上部小的特點(diǎn)。在儲(chǔ)罐底部的位置出現(xiàn)軸向應(yīng)力的峰值，非隔震儲(chǔ)罐軸向應(yīng)力峰值為90 MPa，隔震后39.9 MPa，降低了55.7 %。

3.3 基底剪力和基底彎矩分析

圖10 和圖11 給出了非隔震儲(chǔ)罐與環(huán)墻滾動(dòng)隔震儲(chǔ)罐在地震作用下的基底剪力和基底彎矩時(shí)程曲線。

圖10 基底剪力時(shí)程曲線

圖11 基底彎矩時(shí)程曲線

從圖10 和圖11 可以看出:非隔震儲(chǔ)罐基底剪力與基底彎矩峰值均發(fā)生在2.24 s，環(huán)墻隔震儲(chǔ)罐基底剪力與基底彎矩峰值發(fā)生在2.42 s，這表明隔震可以使儲(chǔ)罐的基底剪力與基底彎矩峰值略有滯后。對(duì)比非隔震儲(chǔ)罐與環(huán)墻滾動(dòng)隔震儲(chǔ)罐基底剪力與基底彎矩可得基底剪力減震率為34.69 %，基底彎矩減震率為28.94 %，減震效果較為明顯。

4 結(jié) 論

本文將環(huán)墻滾動(dòng)隔震基礎(chǔ)應(yīng)用于15 ×104m3大型立式儲(chǔ)罐，應(yīng)用ADINA 有限元數(shù)值仿真程序，建立環(huán)墻滾動(dòng)隔震儲(chǔ)罐的有限元分析模型，對(duì)水平地震激勵(lì)作用下環(huán)墻滾動(dòng)隔震儲(chǔ)罐進(jìn)行減震效應(yīng)分析，得出以下結(jié)論:

(1)環(huán)墻滾動(dòng)隔震基礎(chǔ)不但可以調(diào)整儲(chǔ)罐中心點(diǎn)沉降和不均勻沉降，同時(shí)具有降低儲(chǔ)罐地震響應(yīng)的作用。

(2)采取環(huán)墻滾動(dòng)隔震基礎(chǔ)后，罐壁環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力有所降低，罐壁設(shè)計(jì)時(shí)可以在滿足承載力和變形要求的條件下，將罐壁厚度減薄;基底剪力和傾覆力矩減震效應(yīng)明顯，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)可以在滿足承載力和沉降要求的條件下，節(jié)省材料，降低造價(jià)。

［1］孫建剛，呂睿，郝進(jìn)鋒，等. 立式儲(chǔ)液容器自復(fù)位隔震體系研究［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2001，20(1):141-145.

［2］KIM N S，LEE D G. Pseudo-dynamic test for Evolution of seismic performance of base isolated liquid storage tanks［J］. Engineering Structures，1995，17(3):198 -208.

［3］WANG Y P，TENG M C，CHUNG K W. Seismic isolation of rigid cylindrical tanks using friction pendulum bearing［J］. Earthquake Engineering and Structural Dynamics，2001，30:1083 -1099.

［4］孫建剛，周麗，袁朝慶，等. 立式儲(chǔ)罐基礎(chǔ)隔震動(dòng)力反應(yīng)特性分析［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2001，21(3):140 -144.

［5］崔利富. 立式儲(chǔ)罐三維基礎(chǔ)隔震體系動(dòng)響應(yīng)分析研究［D］.大慶:大慶石油學(xué)院，2007.

［6］SHRIMALI M K，JANGID R S. Seismic Response of Base-Isolated Liquid Storage Tanks［J］. Journal of Vibration ＆ Control，2003，9(10):10 -17.

［7］SHRIMALI M K，JANGID R S. Seismic analysis of base-isolated liquid storage tanks［J］. Journal of Sound ＆Vibration，2004，275(1/2):59 -75.

［8］李想，郝進(jìn)鋒，孫建剛，等. 立式儲(chǔ)罐環(huán)梁滾動(dòng)隔震裝置力學(xué)性能分析［J］. 地震工程與工程振動(dòng)，2014，34(1):249 -256.

［9］趙長軍.LNG 儲(chǔ)罐滾動(dòng)自復(fù)位隔震研究［D］.大慶:東北石油大學(xué)，2011，20 -27.

［10］劉稚媛.砂墊層減震性能研究［D］.天津:河北工業(yè)大學(xué)，2003，4 -10.