近斷層區(qū)地震脈沖參數(shù)對立式儲罐地震響應(yīng)的影響分析

李想　孫建剛　崔利富　王振　劉偉兵

摘 要：為了研究近場地震動速度脈沖參數(shù)對立式儲罐地震響應(yīng)的影響，以15萬方立式儲罐為研究對象，建立有限元數(shù)值仿真模型，引入人工合成的近斷層脈沖型地震動記錄的方法，定量分析脈沖周期、脈沖峰值以及脈沖類型對立式儲罐地震響應(yīng)的影響特性和規(guī)律。結(jié)果表明：脈沖作用會使儲罐動力響應(yīng)明顯增大；隨著脈沖峰值Vp的增大，儲罐的地震響應(yīng)逐漸增大；脈沖周期Tp接近儲罐自振周期時，地震響應(yīng)明顯被放大。A類脈沖對于儲罐影響最明顯，B類脈沖影響次之，C類最小。建議進(jìn)行近斷層區(qū)儲罐抗震設(shè)計時，應(yīng)該對比檢驗不同類型脈沖參數(shù)的影響，確保儲罐地震安全。

關(guān)鍵詞：立式儲罐；近場地震動；速度脈沖；脈沖參數(shù)；地震響應(yīng)

中圖分類號： TU352；P315.92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）24-178-2

0 引言

近斷層區(qū)域[1-3]地震具有強(qiáng)烈的方向性效應(yīng)以及速度脈沖，這主要是因為近斷層地震動使得結(jié)構(gòu)直接承受高能量沖擊，尤其是長周期結(jié)構(gòu)，往往造成難以恢復(fù)的大位移。立式儲罐[4，5]其儲液部分屬于液固耦合長周期結(jié)構(gòu)，一旦遭遇近斷層長周期地震作用，很容易發(fā)生共振而造成儲液的劇烈晃動和翻騰，極易導(dǎo)致石油泄露，造成很嚴(yán)重的次生災(zāi)害。文獻(xiàn)[6]提出通過定義脈沖幅值、脈沖周期以及脈沖類型的方法來實現(xiàn)人工模擬近斷層地震波。隨著立式儲罐數(shù)量的增加，長周期脈沖型近場地震下立式儲罐的地震響應(yīng)特性亟待研究。

本文以15萬方立式儲罐為研究對象，建立有限元數(shù)值仿真模型，引入人工合成的近斷層脈沖型地震動的方法，定量分析脈沖峰值、脈沖周期以及脈沖類型對立式儲罐地震響應(yīng)的影響特性和規(guī)律，為更好設(shè)計出抵抗近斷層地震動的立式儲罐提供理論依據(jù)。

1 15萬方立式儲罐有限元模型

1.1 儲罐基本參數(shù)

本文選取15×104m3立式儲罐為研究對象，儲罐罐壁高21.7m， 充水高度Hw=20.1m，重力加速度g=9.8m/s2。

材料屬性：鋼板的密度ρ=7800kg/m3，彈性模量E=2.06×1011N/m2。儲罐內(nèi)油的密度鑒于安全性的考慮取為ρ=1000kg/m3，彈性模量E=2.0×108N/m2。

1.2 有限元模型

儲罐底板及罐壁采用殼單元，液體采用三維勢流單元，基于上述關(guān)于模型的參數(shù)、單元選取，建立15萬方立式儲罐有限元模型（圖1）。

2 近斷層速度脈沖模擬和脈沖參數(shù)的選取

2.1 近斷層速度脈沖模擬模型

對于人工合成近斷層脈沖型地震波，將前向脈沖A，前、后向脈沖B和多環(huán)脈沖C的速度脈沖模擬函數(shù)定義為：

式中， Vp為速度脈沖峰值；Tp為脈沖周期，wp為脈沖頻率。式（1）中A類地震波為單一向傳播；式（2）中B類地震波為往返傳播；式（3）中C類地震波波形具有多個往返。

為系統(tǒng)研究近斷層地震脈沖參數(shù)對立式儲罐的影響，以El-Centro波為底波（PGA=341.7cm/s2，PGV=39.04cm/s）采用上述公式構(gòu)造出A，B，C三類等效速度脈沖，其中α=0.25，k=1，C類脈沖n=2.5。

2.2 脈沖模型參數(shù)選取

脈沖模型參數(shù)采用如下取值方案：①研究脈沖峰值Vp對立式儲罐地震響應(yīng)的影響時，選取A類脈沖，Tp=1s，Vp分別取50cm/s、70cm/s、100cm/s和125cm/s；②研究脈沖周期Tp的影響時，選取A類脈沖，Vp=75cm/s，Tp分別取0.5s、1s、2s和4s；③研究脈沖類型的影響時，Vp=75cm/s，Tp=2s，分別選取A類、B類和C類脈沖。

3 近斷層脈沖參數(shù)對立式儲罐地震響應(yīng)分析

3.1 脈沖峰值Vp對立式儲罐地震響應(yīng)的影響

圖2和圖3為A類脈沖，Tp=1s時不同Vp近斷層地震波和El-centro波激勵下的動液壓力和有效應(yīng)力峰值分布。

從圖2可以看出儲罐的動液壓力沿液體高度方向逐漸增大，動液壓力越大液體作用在罐壁上的應(yīng)力就越大，震害也越明顯。隨著Vp的增大，液體動液壓力也隨之增大， Vp=125cm/s時達(dá)到最大，峰值為161.8kPa，相比無脈沖時其增幅近35.8%。從圖3可以看出儲罐在4～17m范圍內(nèi)儲罐罐壁有效應(yīng)力最大，有效應(yīng)力隨著Vp的增大而增大，在Vp=125cm/s時達(dá)到最大值，相比無脈沖時其增幅近22.9%，與圖2液體動液壓力分布規(guī)律一致。

3.2 脈沖周期Tp對立式儲罐地震響應(yīng)的影響

從圖4和圖5中可以看出當(dāng)脈沖周期Tp=1s時液體動液壓力和罐壁有效應(yīng)力明顯大于其他脈沖周期和El-Centro波，其中動液壓力最大增幅為18.8%，有效應(yīng)力最大增幅為23.5%，這主要是由于15萬方立式儲罐自振周期為0.884s，結(jié)構(gòu)自振周期與脈沖周期接近，引起共振現(xiàn)象。

3.3 脈沖類型對立式儲罐地震響應(yīng)的影響

從圖6和圖7可以看出，當(dāng)Vp=75cm/s，Vp=2s時，3類脈沖波相對于El-Centro波的動液壓力和有效應(yīng)力均有明顯放大，其中A類脈沖作用下的動液壓力和有效應(yīng)力均明顯大于B類和C類，相對于底波動液壓力和有效應(yīng)力最大增幅分別為28.1%和16.6%。

4 結(jié)論

本文以15萬方立式儲罐為研究對象，建立有限元數(shù)值仿真模型，引入人工合成的近斷層脈沖型地震動記錄的方法，定量分析脈沖周期、脈沖峰值以及脈沖類型對立式儲罐地震響應(yīng)的影響特性和規(guī)律。

①脈沖作用會使儲罐動力響應(yīng)明顯增大，因此長周期脈沖型近場地震作用對立式儲罐的抗震性能回提出更高的要求。②隨著脈沖峰值Vp的增大，儲罐的地震響應(yīng)逐漸增大；脈沖周期Tp接近儲罐自振周期時，地震響應(yīng)明顯被放大。A類脈沖對于儲罐影響最明顯，B類脈沖影響次之，C類最小。③儲罐近斷層地震響應(yīng)并不是由某一類脈沖參數(shù)決定的，建議進(jìn)行近斷層區(qū)儲罐抗震設(shè)計時，應(yīng)該對比檢驗不同類型脈沖參數(shù)的影響，確保儲罐地震安全。

參 考 文 獻(xiàn)

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[2] 王海云，謝禮立.近斷層強(qiáng)地震動的特點(diǎn)[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，38（12）：2070-2072.

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[6] KRAWINKLER H， ALAVI B. Development of Improved Design Procedures Near-fault Ground Motions[C]// SMlP98 Seminar on Utilization of Strong-motion Data. Oakland： CA， 1998：21-41.