爆破開(kāi)挖振動(dòng)下既有大型儲(chǔ)油罐的動(dòng)力響應(yīng)*

陳 洋，吳 亮，許 鋒，魯 帥

(1.中鐵港航-武漢科技大學(xué)爆破技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430065;2.武漢科技大學(xué)理學(xué)院，湖北 武漢 430065)

大型立式鋼制浮頂儲(chǔ)油罐是儲(chǔ)油基地廣泛采用的儲(chǔ)油容器，由于規(guī)模龐大，一旦發(fā)生破壞，后果不堪設(shè)想,為確保安全，對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行應(yīng)力分析、動(dòng)力性能、破壞機(jī)理等方面的研究十分必要。在儲(chǔ)油罐應(yīng)力分析方面，陳志平等[1]結(jié)合長(zhǎng)、短圓柱殼法的優(yōu)點(diǎn)，提出了更精確的組合圓柱殼法。張?jiān)品宓萚2]建立了儲(chǔ)油罐三維地震響應(yīng)的力學(xué)計(jì)算模型，并進(jìn)行了儲(chǔ)油罐三維地震響應(yīng)的數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)豎向地震分量引起的水平加速度和基底剪力在總加速度和總基底剪力中占有較大比重，在儲(chǔ)罐抗震設(shè)計(jì)中必須考慮豎向地震的作用。孫建剛等[3]的儲(chǔ)罐三維地震反應(yīng)振動(dòng)臺(tái)模型實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了立式浮放儲(chǔ)罐抗震設(shè)計(jì)中需要考慮三維地震作用。另外，孫建剛等[4-5]在儲(chǔ)油罐的隔震方面做了較系統(tǒng)的研究，建立了考慮擺動(dòng)效應(yīng)的立式儲(chǔ)罐隔震分析簡(jiǎn)化力學(xué)模型，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與無(wú)擺動(dòng)效應(yīng)隔震模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明，基底隔震裝置能有效降低大型儲(chǔ)罐的基底剪力，但對(duì)液面晃動(dòng)波高的影響不大。

由于地形原因，儲(chǔ)油基地后續(xù)擴(kuò)建工程的基礎(chǔ)需要爆破開(kāi)挖。王開(kāi)志等[6]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，設(shè)計(jì)了某部?jī)?chǔ)油罐基礎(chǔ)的爆破開(kāi)挖方案，優(yōu)化了布孔方式和炮孔參數(shù)，并成功實(shí)施了爆破。關(guān)于爆破開(kāi)挖擾動(dòng)對(duì)既有儲(chǔ)罐影響的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本文中以某石油儲(chǔ)備基地?cái)U(kuò)建項(xiàng)目中的實(shí)際問(wèn)題為背景，基于ANSYS/LS-DYNA的隱式-顯式順序求解技術(shù)，結(jié)合流固耦合算法，采用數(shù)值模擬方法研究爆破振動(dòng)下大型儲(chǔ)油罐的動(dòng)力響應(yīng)，分析動(dòng)應(yīng)力在結(jié)構(gòu)體中的傳播與分布規(guī)律，研究?jī)?chǔ)油罐結(jié)構(gòu)的響應(yīng)及其穩(wěn)定性。

1 基于ANSYS/LS-DYNA的隱式-顯式順序求解方法

在許多工程中，結(jié)構(gòu)的初始應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響是不能忽略的。如帶有初始?jí)毫Φ膲毫θ萜?、高地?yīng)力條件下的開(kāi)挖、螺栓連接動(dòng)力響應(yīng)等，在進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析時(shí)，都應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)初始應(yīng)力的影響。大型儲(chǔ)油罐的動(dòng)力響應(yīng)也是如此，在數(shù)值模擬時(shí)，重力影響是不可忽略的。LS-DYNA作為國(guó)際上最著名的顯式動(dòng)力分析程序，用來(lái)分析爆炸與沖擊、結(jié)構(gòu)碰撞、金屬加工成型等高度非線性的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題是非常有效的。在處理靜態(tài)問(wèn)題(如結(jié)構(gòu)的自重、初始應(yīng)力)時(shí)，LS-DYNA顯式求解器可以通過(guò)添加人工阻尼，運(yùn)用動(dòng)力松弛的方式施加載荷，運(yùn)用顯式求解器近似求解靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)問(wèn)題。但是這樣處理得到的結(jié)果無(wú)論是精度還是效果，都不如隱式求解器計(jì)算的結(jié)果。ANSYS的隱式方法在處理靜態(tài)問(wèn)題尤其是線性問(wèn)題時(shí)，有極大的優(yōu)勢(shì)。因此，結(jié)合隱式與顯式求解器的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)用隱式-顯式順序求解方法分析結(jié)構(gòu)在初始載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題是比較理想的。即在進(jìn)行顯式動(dòng)力分析之前，用隱式求解器對(duì)結(jié)構(gòu)的預(yù)載進(jìn)行分析，然后以預(yù)載的結(jié)果為初始狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)的顯式分析。基于ANSYS/LS-DYNA隱式-顯式順序求解方法分析儲(chǔ)油罐爆破振動(dòng)響應(yīng)的基本思路如圖1所示。

2 爆破載荷的等效處理

根據(jù)文獻(xiàn)[7]，計(jì)算中可以將爆破荷載做適當(dāng)簡(jiǎn)化，其中一種簡(jiǎn)化方式是將爆破荷載均勻分布在同排炮孔連心線所在豎直面上。如圖2(a)所示，半徑為r0的炮孔壁上壓力為p0，孔間距為L(zhǎng)，則可以將載荷等效施加在如圖2(b)所示的炮孔連心線上。等效壓力為：

pe=(2r0/L)p0

(1)

式中：p0可以根據(jù)C-J爆轟條件和爆腔膨脹理論確定。這種簡(jiǎn)化方式可以從圣維南原理得到合理的解釋?zhuān)虼斯こ讨泻侠磉\(yùn)用此方法是可以接受的。

3 工程實(shí)例的數(shù)值模擬

3.1 工程概況

某石油儲(chǔ)備基地已有50座10×104m3的儲(chǔ)油罐，依山而建。其擴(kuò)建項(xiàng)目規(guī)模為300×104m3，擬建10×104m3鋼制單盤(pán)式外浮頂儲(chǔ)罐30座。其中兩座擬建設(shè)儲(chǔ)罐的地基需要爆破開(kāi)挖。為研究爆破振動(dòng)對(duì)既有儲(chǔ)罐的影響，對(duì)相鄰的油罐及其地基進(jìn)行有限元分析，模型外形設(shè)計(jì)參數(shù)如圖3所示，儲(chǔ)罐管壁設(shè)計(jì)參數(shù)及材料類(lèi)型如表1所示。

層數(shù)壁厚/mm層高/mm材料132.02 420SPV490Q227.02 420SPV490Q321.52 420SPV490Q418.52 420SPV490Q515.02 420SPV490Q612.02 420SPV490Q712.02 420SPV490Q812.02 380Q-235A.F912.02 380Q-235A.F

如圖3所示，在地基邊緣爆破，柱狀裝藥長(zhǎng)度為6 m，孔徑50 mm，藥徑30 mm，孔距1 m，爆破位置距罐壁20 m。在此距離下，研究爆破振動(dòng)對(duì)儲(chǔ)油罐的影響，可以忽略爆破載荷的分布情況[7]，從而運(yùn)用上述簡(jiǎn)化方式，將爆破載荷簡(jiǎn)化成作用在同排炮孔連心線所處的一塊10 m×6 m的豎直面上的均布載荷。壓力峰值約5 MPa，采用正弦波波形進(jìn)行分析，作用3個(gè)周期。

3.2 有限元模型建立及材料模型

3.2.1 單元類(lèi)型

運(yùn)用LS-DYNA進(jìn)行顯式動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，流體擬采用ALE算法，固體擬采用Lagrange算法。solid164單元是用于顯式動(dòng)力分析的8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元，在使用上沒(méi)有特殊限制，既可用Lagrange網(wǎng)格，也可用ALE網(wǎng)格，故地基、罐內(nèi)液體和空氣采用solid164單元。shell163單元是用于顯式動(dòng)力分析的4節(jié)點(diǎn)薄殼單元，在模擬儲(chǔ)油罐罐壁這類(lèi)薄殼或薄膜結(jié)構(gòu)中被廣泛運(yùn)用，并取得較好的效果，故鋼制儲(chǔ)罐采用shell163單元模擬。隱式單元與顯式單元的相互轉(zhuǎn)換中存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，solid164單元對(duì)應(yīng)于solid185單元，shell163單元對(duì)應(yīng)于shell181單元。當(dāng)所用的隱、顯式單元不對(duì)應(yīng)時(shí)，需要手動(dòng)修改參數(shù)轉(zhuǎn)換。因此，在隱式靜力分析中分別采用solid185、shell181單元模擬地基和鋼制儲(chǔ)罐，在隨后顯式動(dòng)力分析中自動(dòng)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)顯式單元。罐內(nèi)液體和空氣采用fluid80單元，隨后手動(dòng)轉(zhuǎn)換成solid164單元。

3.2.2 網(wǎng)格劃分

在進(jìn)行有限元模擬的時(shí)候，當(dāng)所用單元為8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元或4節(jié)點(diǎn)殼單元，劃分網(wǎng)格時(shí)一般不宜采用退化的四面體或三角形單元。為保證網(wǎng)格質(zhì)量，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)剖分，采用映射的方式劃分網(wǎng)格。同時(shí)，為了保證ALE算法有效進(jìn)行，劃分網(wǎng)格要保證液體網(wǎng)格和空氣網(wǎng)格一致。流體與固體之間的相互作用通過(guò)LS-DYNA的流固耦合關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)格尺寸的控制兼顧計(jì)算精度和計(jì)算效率。通過(guò)試算，網(wǎng)格最大尺寸控制在2 m時(shí)有較高的計(jì)算效率，且計(jì)算精度滿足工程要求。最終一共劃分了142 976個(gè)單元。有限元模型如圖4所示。

3.2.3 材料模型及參數(shù)

(1)鋼制儲(chǔ)罐材料本構(gòu)模型

考慮儲(chǔ)罐材料的非線性特性將導(dǎo)致儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的非線性，采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化材料模型(BKIN)模擬儲(chǔ)油罐鋼材，該模型彈塑性材料的本構(gòu)關(guān)系通過(guò)兩段斜率不同的直線段來(lái)模擬，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖5所示。需要定義的基本參數(shù)如表2所示。

(2)地基巖體本構(gòu)模型

表2 材料基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of the materials

Drucker-Prager(D-P)模型是一種廣義的Mises理想塑性模型，這種材料模型能有效模擬土壤、巖石以及混凝土等材料，這里采用該模型來(lái)模擬地基巖體。在LS-DYNA中用*MAT_DRUCKER_PRAGER關(guān)鍵字定義。除表2給出的參數(shù)外，還需定義的主要參數(shù)有：摩擦角為0.872，破壞面形狀參數(shù)為1.0，黏聚力為1.5 MPa，最小抗剪強(qiáng)度因子為0.05。

(3)液體和空氣模型及狀態(tài)方程

液體和空氣均采用LS-DYNA中的NULL流體材料模型。輸入的基本材料參數(shù)見(jiàn)表2。液體單元采用Grüneisen狀態(tài)方程描述，對(duì)于壓縮材料和膨脹材料，其壓力分別為：

(2)

膨脹材料p=ρ0C2μ+(γ0+αμ)E

(3)

式中：C=1 480，S1=2.56，S2=-1.986，S3=0.226 8，γ0=0.5，α=0，E=0?？諝鈫卧獕毫Σ捎镁€性多項(xiàng)式狀態(tài)方程模擬，壓力由下式給出：

p=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E

(4)

式中：C0=-1×105，C1=C2=C3=C6=0，C4=C5=0.4。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 罐壁上不同位置的振速

對(duì)爆破載荷為25 Hz的工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。圖6(a)～(b)分別是罐壁正面0、2.42、21.80 m(由后文中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度沿高度的分布曲線可知，2.42 m處是罐壁上水平質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度出現(xiàn)突增的點(diǎn)，而0 m和21.80 m處分別是罐壁底部和頂部節(jié)點(diǎn)，此3點(diǎn)均為較特殊的點(diǎn)，故此處選擇此3點(diǎn)輸出質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)程曲線)處x和z方向的質(zhì)點(diǎn)振速時(shí)程曲線。從圖中可以看出，不同高度的振速曲線的每一個(gè)波峰(谷)基本是按照由罐底向上的順序依次出現(xiàn)，爆破振動(dòng)的影響沿著罐壁由底部逐漸傳播到儲(chǔ)罐頂部。

圖7是罐壁正面x方向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度沿高度的變化曲線?？傮w上看，在滿載、半載和空罐情況下，罐壁頂部水平方向(x方向)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度較底部有一定的衰減，這與以往所認(rèn)識(shí)的高層結(jié)構(gòu)對(duì)地震的放大作用[8]有所不同。分析可知，這有兩方面原因：其一，文中所研究的大型立式圓柱儲(chǔ)油罐高徑比偏小，其縱向比較穩(wěn)定，在振動(dòng)響應(yīng)中基本不會(huì)出現(xiàn)整體的擺動(dòng)，由其模態(tài)振型分析可知，其主要振動(dòng)形式為罐壁的環(huán)向多波振型[9]，因此不會(huì)產(chǎn)生頂層放大效應(yīng)；其二，與天然地震波相比，爆破地震波頻率高、持續(xù)時(shí)間短[10]，而高頻振動(dòng)在傳播過(guò)程中幅值衰減較快，傳播到頂部時(shí)無(wú)放大效應(yīng)，這與文獻(xiàn)[11]的結(jié)論是一致的。進(jìn)一步分析圖7可知，在液面以下的位置，儲(chǔ)罐內(nèi)壁與罐內(nèi)液體接觸的部分水平方向質(zhì)點(diǎn)振速都較小，而離開(kāi)液面以上的位置，罐壁水平質(zhì)點(diǎn)振速迅速增大到較大值，隨后繼續(xù)隨高度增加緩慢減小。這說(shuō)明罐內(nèi)液體對(duì)與之接觸的罐壁的質(zhì)點(diǎn)水平振動(dòng)能起到一定的緩沖作用。圖8是罐壁正面z方向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度沿高度的變化曲線。z方向振速隨高度上升而增大，豎直方向振速仍符合放大效應(yīng)。

進(jìn)一步研究振動(dòng)響應(yīng)沿罐壁圓周的傳播情況。分別在2.42 m的位置和頂部沿罐壁圓周均勻的選取9個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)在罐壁圓周上的位置如圖9所示。圖10分別是x、z方向的振速沿罐壁圓周的分布情況。從圖10中可以看出，從測(cè)點(diǎn)1到測(cè)點(diǎn)9，x和z方向振速基本呈現(xiàn)出逐漸衰減的趨勢(shì)，說(shuō)明爆破對(duì)儲(chǔ)油罐的影響從正面到背面逐漸減弱。

3.3.2 罐壁上的應(yīng)力分布情況

大型立式圓柱鋼制儲(chǔ)油罐在地震中罐壁底部易產(chǎn)生“象足”變形[12]，進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重的破壞情況?，F(xiàn)有的研究資料已經(jīng)證實(shí)這種“象足”變形是由于罐壁上的軸向壓應(yīng)力過(guò)大，導(dǎo)致罐壁局部失穩(wěn)產(chǎn)生的屈曲破壞，而非工作應(yīng)力超過(guò)強(qiáng)度極限產(chǎn)生的強(qiáng)度破壞[12-14]。研究爆破振動(dòng)下儲(chǔ)油罐罐壁上的應(yīng)力分布情況有助于找到爆破開(kāi)挖過(guò)程中罐壁上的薄弱點(diǎn)。圖11是罐壁上的應(yīng)力沿高度的分布情況，由圖11可知，罐壁3 m以下的位置軸向應(yīng)力較大，達(dá)到15 MPa以上，而上部軸向應(yīng)力都比較小。環(huán)向應(yīng)力與Mises應(yīng)力的分布情況基本一致，最大值均出現(xiàn)在3 m左右的位置。

圖12是罐壁上高度3 m左右位置的應(yīng)力沿罐壁周向的分布情況。由圖12可知，應(yīng)力從正面沿著周向到背面明顯衰減，最大軸向壓應(yīng)力和最大Mises應(yīng)力在正面，即迎爆側(cè)。由罐壁上應(yīng)力分布情況可知，在爆破開(kāi)挖過(guò)程中，既有儲(chǔ)罐罐壁迎爆側(cè)高度為3 m左右的位置應(yīng)力較大，是薄弱環(huán)節(jié)，最易發(fā)生“象足”屈曲。

3.3.3 儲(chǔ)油罐的響應(yīng)與罐內(nèi)液面高度的關(guān)系

為了研究不同儲(chǔ)液量情況下儲(chǔ)罐的響應(yīng)情況，分析了罐內(nèi)液面高度從0 m(空罐)到20 m(滿罐)的罐壁頂部質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，圖13是x和z方向質(zhì)點(diǎn)振速與罐內(nèi)液體液面高度的關(guān)系。其中z方向振速隨液面高度增加而增大，且增幅較小。x方向振速隨液面高度增加先略有減小，在液面高度為5 m時(shí)最小，低于1.5 cm/s，然后隨液面高度繼續(xù)增加而增大，到儲(chǔ)液接近滿罐時(shí)達(dá)到最大。由圖13可知，該儲(chǔ)油罐在儲(chǔ)液高度不高于10 m的情況下，水平和豎直方向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度均低于2 cm/s，根據(jù)最新的《爆破安全規(guī)程(GB 6722-2014)》，這低于工業(yè)和商業(yè)建筑物的安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，為確保鄰近既有儲(chǔ)罐的安全，爆破施工過(guò)程中鄰近儲(chǔ)罐儲(chǔ)液高度應(yīng)不高于10 m，即保證處于半載及以下的狀態(tài)。

3.3.4 不同頻率爆破載荷下儲(chǔ)油罐的響應(yīng)

影響爆破地震波頻率的因素是多方面的。實(shí)驗(yàn)表明，爆破振動(dòng)的優(yōu)勢(shì)頻率隨裝藥量的增大而降低，同時(shí)，炸藥的爆速越高，爆破地震波主頻越高；另外，隨著傳播距離的增加，振動(dòng)的高頻部分衰減較快，而低頻部分基本保持不變，從而爆破振動(dòng)的優(yōu)勢(shì)頻率也會(huì)降低。裝藥深度對(duì)頻率也有很大影響，深孔爆破產(chǎn)生的地震波主頻較低，淺孔爆破產(chǎn)生的地震波主頻較高。實(shí)際工程中的巖性與地形條件、爆破方式、裝藥結(jié)構(gòu)等，也是影響爆破振動(dòng)頻率的重要因素。同振動(dòng)強(qiáng)度一樣，爆破振動(dòng)的頻率特性也對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞起到?jīng)Q定性作用。爆破振動(dòng)主頻與結(jié)構(gòu)的固有頻率越接近，由于共振效應(yīng)，結(jié)構(gòu)物的響應(yīng)越劇烈，當(dāng)達(dá)到一定頻率時(shí)，這種影響基本消失[15]。同時(shí)，文獻(xiàn)[10]中已經(jīng)指出，爆破地震主頻率大都在10～30 Hz，有的高達(dá)50 Hz以上，與普通工程結(jié)構(gòu)的自振(基振)頻率相比，它高得多。表3是本文中計(jì)算的儲(chǔ)油罐前20階流固耦合模態(tài)、空罐模態(tài)和文獻(xiàn)[9]的值?？展弈B(tài)模擬值與文獻(xiàn)值吻合。模擬得到的儲(chǔ)油罐前20階流固耦合模態(tài)頻率在0.5 Hz以下，遠(yuǎn)低于爆破地震波的主頻。

表3 儲(chǔ)油罐前20階模態(tài)Table 3 The first 20 modes of storage tank

本文中還計(jì)算了頻率從5 Hz到100 Hz(間隔為5 Hz)的載荷作用下儲(chǔ)油罐的響應(yīng)。圖14是罐壁迎爆側(cè)頂部節(jié)點(diǎn)的x方向振速與載荷頻率的關(guān)系。由圖14可知，載荷頻率在30 Hz以下時(shí)，x向振速隨頻率升高急劇增大，在30～70 Hz之間，x向振速基本穩(wěn)定在3 cm/s左右，載荷頻率超過(guò)70 Hz時(shí)，x向振速隨頻率升高逐漸減小，從85 Hz開(kāi)始，振速又基本平穩(wěn)在2.5 cm/s左右。圖15是罐壁正面頂部節(jié)點(diǎn)的z方向振速與載荷頻率的關(guān)系。從圖中可以看出，在80 Hz以下，z方向振速隨頻率的升高而增大，80 Hz以上，略有減小，但基本穩(wěn)定在11.3 cm/s左右。這說(shuō)明在爆破振動(dòng)主頻范圍內(nèi)，遠(yuǎn)大于儲(chǔ)油罐固有頻率條件下，罐壁上質(zhì)點(diǎn)振速隨著爆破振動(dòng)頻率的降低呈減小趨勢(shì)。由于儲(chǔ)油罐基頻遠(yuǎn)低于爆破載荷主頻，共振效應(yīng)的影響基本消失，此時(shí)不能用“爆破震動(dòng)主頻與結(jié)構(gòu)的固有頻率越接近，結(jié)構(gòu)物的響應(yīng)越劇烈”這一結(jié)論分析儲(chǔ)油罐的響應(yīng)與載荷頻率的關(guān)系,而應(yīng)該從其他與頻率相關(guān)的因素上研究?jī)?chǔ)油罐隨載荷頻率變化的響應(yīng)規(guī)律，例如文獻(xiàn)[16]中提到的波形疊加效應(yīng)等因素，這是后續(xù)研究應(yīng)著重關(guān)注的地方。

4 儲(chǔ)油罐爆破振動(dòng)安全評(píng)估

與天然地震波不同，爆破地震波是局部振動(dòng)，且幅值大、衰減快、頻率高、持續(xù)時(shí)間短。當(dāng)遇到超大、超高型構(gòu)筑物，如本文中所研究的大型原油儲(chǔ)罐，爆破擾動(dòng)首先引起迎爆側(cè)距爆源最近的點(diǎn)振動(dòng)，隨后在結(jié)構(gòu)內(nèi)部向周?chē)鷤鞑?。由于大型?chǔ)油罐的振型主要是環(huán)向多波振型，并且高頻振動(dòng)的幅值衰減快，因此罐壁頂部水平方向質(zhì)點(diǎn)振速無(wú)放大效應(yīng)，反而較底部有一定的衰減。所以罐壁頂部水平方向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度僅能在一定方面反映爆破擾動(dòng)對(duì)儲(chǔ)油罐的影響程度，而不能以此判斷儲(chǔ)油罐是否安全。此外，由于罐內(nèi)液體對(duì)液面以下罐壁質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)有一定的緩沖作用，導(dǎo)致罐壁質(zhì)點(diǎn)振速的分布情況較為復(fù)雜，所以從罐壁質(zhì)點(diǎn)安全振速方面來(lái)考察儲(chǔ)油罐的危險(xiǎn)點(diǎn)有一定的困難。而爆破過(guò)程中，罐壁應(yīng)力分布情況較為明晰，導(dǎo)致“象足”破壞的最大軸向壓應(yīng)力在罐壁迎爆底部，并且環(huán)向應(yīng)力和Mises應(yīng)力最大值也出現(xiàn)在迎爆側(cè)高度為3 m左右的位置。因此，對(duì)此處罐壁進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)，能有效反映儲(chǔ)油罐整體結(jié)構(gòu)爆破振動(dòng)的安全性。按照美國(guó)APl650的罐壁軸向壓應(yīng)力許用值計(jì)算公式[12]，計(jì)算得到本文中所研究的儲(chǔ)罐罐壁軸向許用壓應(yīng)力為33.12 MPa。對(duì)滿載的儲(chǔ)油罐在25 Hz的載荷作用下的工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算得到的爆破振動(dòng)下儲(chǔ)油罐罐壁最大軸向壓應(yīng)力為23.71 MPa，因而這種工況下儲(chǔ)油罐是安全的。

此外，除了考慮儲(chǔ)油罐整體結(jié)構(gòu)的爆破振動(dòng)安全外，儲(chǔ)油罐的其他附屬設(shè)施，例如浮頂運(yùn)行裝置、閥門(mén)結(jié)構(gòu)、監(jiān)測(cè)儀器以及管道與罐體連接部位等也是需要考慮的。

5 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)用隱式-顯式順序分析方法對(duì)在距離罐壁水平距離為20 m處開(kāi)展的爆破施工工程實(shí)例進(jìn)行數(shù)值模擬，得到以下認(rèn)識(shí)：

(1)該工程爆破振動(dòng)下，大型儲(chǔ)油罐罐壁頂部水平方向的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度沒(méi)有放大效應(yīng)，振動(dòng)傳播到頂部時(shí)有一定的衰減。由于爆破振動(dòng)載荷特點(diǎn)和儲(chǔ)油罐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，罐壁質(zhì)點(diǎn)振速分布情況較復(fù)雜，因此罐壁頂部質(zhì)點(diǎn)振速能在一些方面反映爆破振動(dòng)對(duì)儲(chǔ)油罐的影響程度，但不宜以局部質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度考察儲(chǔ)油罐的爆破振動(dòng)安全性;

(2)爆破振動(dòng)下儲(chǔ)油罐罐壁迎爆側(cè)底部是薄弱環(huán)節(jié)，本文所研究?jī)?chǔ)油罐的危險(xiǎn)點(diǎn)在迎爆面高度為3 m左右的位置。用美國(guó)APl650的罐壁軸向壓應(yīng)力許用值計(jì)算公式核算該儲(chǔ)油罐罐壁可知本文工況是安全的;

(3)爆破施工中，減小儲(chǔ)罐儲(chǔ)液量能有效減小爆破振動(dòng)對(duì)儲(chǔ)油罐的影響，鄰近儲(chǔ)罐儲(chǔ)液高度不宜高于10 m;

(4)在爆破振動(dòng)主頻范圍內(nèi)，載荷頻率遠(yuǎn)大于儲(chǔ)油罐固有頻率條件下，罐壁上質(zhì)點(diǎn)振速隨爆破振動(dòng)頻率的降低呈減小趨勢(shì)。這與以往所認(rèn)知的“爆破震動(dòng)主頻與結(jié)構(gòu)的固有頻率越接近，結(jié)構(gòu)物的響應(yīng)越劇烈”有所區(qū)別。后續(xù)工作中還需從波形疊加效應(yīng)等因素上深入研究?jī)?chǔ)油罐的響應(yīng)與爆破振動(dòng)頻率的關(guān)系，建立爆破載荷頻率與儲(chǔ)罐響應(yīng)程度之間的力學(xué)模型。另外，仍需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬的結(jié)果，為此類(lèi)工程提供更加可靠的支撐。