不同儲液率大型儲油罐的地震動響應(yīng)

頡鴻翼

（蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

1 概述

地震是一種重大的自然災(zāi)害，具有毀滅性和突發(fā)性的顯著特點(diǎn)，嚴(yán)重危及人民生命和財(cái)產(chǎn)的安全。而地震中儲油罐的損傷，不僅會造成土壤的污染，也可能會引發(fā)火災(zāi)等重大次生災(zāi)害。因此，作為國家戰(zhàn)略物資儲備的重要組成部分，提高儲油罐的抗震能力，保障儲油罐的安全對于保障災(zāi)后重建油料供應(yīng)具有重要作用，并具有重大戰(zhàn)略意義。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外眾多學(xué)者對于儲液罐進(jìn)行了大量的研究，許峰[1]通過LS-DYNA研究了儲液罐結(jié)構(gòu)的模態(tài)，并對不同儲液高度及爆破荷載作用下的罐壁質(zhì)點(diǎn)振速和應(yīng)力的分布特點(diǎn)進(jìn)行了研究。程選生等[2]針對混凝土矩形貯液結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)規(guī)律及隔減震控制方法進(jìn)行了大量的研究，研究顯示隔震能夠減少儲液結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，減少儲液結(jié)構(gòu)的損傷，但不能有效的減少液體的晃動波高。劉帥[3]提出一種在隔震儲罐中增設(shè)黏滯質(zhì)量阻尼器被動控制方法，并對儲罐晃動響應(yīng)被動控制方法的效果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該被動控制方法能夠有效降低儲液罐上部液體的晃動響應(yīng)。高小波[4]進(jìn)行了考慮樁土作用的儲液罐模擬地震振動臺試驗(yàn)，研究加速度沿土體高度方向的變化規(guī)律，結(jié)構(gòu)體系的放大效應(yīng)以及長短周期地震波對儲液晃動波高的影響。本文基于國內(nèi)外已有研究成果，針對定西地區(qū)某圓柱型儲油罐的動力災(zāi)變性能進(jìn)行相關(guān)研究，獲取不同類型地震動作用下儲油罐的動力響應(yīng)，獲取油罐的壁板位移響應(yīng)和液體晃動狀態(tài)特性。

2 地震動記錄選取

動力時程分析中，目前國內(nèi)外的選波方法大體上可分為三類，即基于場地地震信息、基于結(jié)構(gòu)動力特性，以及考慮最不利設(shè)計(jì)地震動的方法?；趫龅氐卣鹦畔⒌倪x波方法是依據(jù)地震危險性分析的結(jié)果，設(shè)定場地的地震信息（如震級、震中距等），選取當(dāng)?shù)鼗蝾愃茥l件場地歷史上發(fā)生過的實(shí)際地震記錄，這類方法具有普遍性且能夠較真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)所在場地特性和地震環(huán)境，在挑選出符合條件的地震動后再按一定方法進(jìn)行地震動調(diào)整。第二類方法在選波過程中考慮了結(jié)構(gòu)自身的動力特性，以設(shè)計(jì)反應(yīng)譜作為目標(biāo)譜進(jìn)行匹配選波，因此進(jìn)行時程分析時可使結(jié)構(gòu)響應(yīng)的離散性大大減小，但是由于無法反映場地真實(shí)的地震危險性，適合當(dāng)?shù)鼗蝾愃茍龅氐牡卣鹩涗洈?shù)量較少時采用。第三類方法主要針對特別重要或高頻地震危險區(qū)的結(jié)構(gòu)，需要選取那些能使結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)最大或結(jié)構(gòu)在地震下的性態(tài)最不利的地震動[5]。

地震動記錄的隨機(jī)性會對結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)產(chǎn)生重要的影響，本文選取較為常用的Elcentro地震動記錄，分析儲油罐結(jié)構(gòu)在不同貯液率工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，從而獲取結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。

3 大型儲油罐抗震性能分析

為了更好地分析儲油罐結(jié)構(gòu)在地震動作用下的動力響應(yīng)結(jié)果，研究不同儲油率的儲油罐結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，建立0%，50%，100%儲油率的儲油罐模型，沿著X軸方向輸入Elcentro地震動記錄，分析在設(shè)防、多遇和罕遇地震動作用下儲油罐的壁板位移響應(yīng)、液動壓力、液體晃動波高等。Elcentro地震動記錄曲線如圖1所示。

圖1 Elcentro地震動記錄曲線

3.1 0%儲液率工況下儲液罐壁板動力響應(yīng)

建立0%儲液率的儲油罐結(jié)構(gòu)有限元分析模型，沿著X方向輸入經(jīng)過調(diào)幅的Elcentro地震動記錄，分析結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，獲得儲油罐罐壁結(jié)構(gòu)壁板最大位移響應(yīng)如圖2所示，并獲得儲油罐罐壁結(jié)構(gòu)壁板最大位移響應(yīng)、速度響應(yīng)、加速度響應(yīng)、等效應(yīng)力變化等見表1。

由圖2可知，不同加速度作用下最大壁板位移發(fā)生位置均發(fā)生在壁板頂端，且不同加速度作用下壁板的最大位移響應(yīng)包絡(luò)圖變化均一樣，即在不同峰值加速度作用下，儲油罐的X方向壁板響應(yīng)均一致，僅最大反應(yīng)峰值有所不同。

由表1可知，儲油罐結(jié)構(gòu)在0%儲液率狀態(tài)不同峰值加速度下，其壁板最大位移、速度均出現(xiàn)在壁板頂端，結(jié)構(gòu)的壁板最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在壁板的最底端。且在不同峰值加速度作用下壁板應(yīng)力遠(yuǎn)小于鋼材的彈性應(yīng)力，即在0%儲液率情況下的儲油罐尚處于彈性工作狀態(tài)。

圖2 儲油罐壁板X方向位移響應(yīng)

表1 0%儲液率工況下儲液罐壁板動力響應(yīng)

表2 50%儲液率工況下儲液罐壁板動力響應(yīng)

3.2 50%儲液率工況下儲液罐壁板動力響應(yīng)

建立50%儲液率的儲油罐結(jié)構(gòu)有限元分析模型，沿著X方向輸入經(jīng)過調(diào)幅的Elcentro地震動記錄，獲得儲油罐罐壁結(jié)構(gòu)壁板最大位移響應(yīng)、速度響應(yīng)、加速度響應(yīng)及等效應(yīng)力變化見表2。

由表2可知，儲油罐結(jié)構(gòu)在50%儲液率狀態(tài)不同峰值加速度作用下，其壁板最大位移、速度、加速度均與0%儲液率工況下的結(jié)構(gòu)壁板響應(yīng)接近，但其最大加速度發(fā)生位置與0%儲液率工況稍有不同。50%儲液率時，設(shè)防地震作用下液體晃動最大波高為0.4m，液體最大動壓力為0.009MPa，不存在液體泄漏的問題；罕遇地震作用下液體晃動最大波高為1.1m，液體最大動壓力為0.024MPa，液體有可能泄露。

1.2.3 100%儲液率工況下儲液罐壁板動力響應(yīng)

建立100%儲液率的儲油罐結(jié)構(gòu)有限元分析模型，獲得儲油罐罐壁結(jié)構(gòu)壁板最大位移響應(yīng)、速度響應(yīng)、加速度響應(yīng)及等效應(yīng)力變化見表3。

表3 100%儲液率工況下儲液罐壁板動力響應(yīng)

由表3可知，儲油罐結(jié)構(gòu)在100%儲液率狀態(tài)不同峰值加速度作用下，其壁板最大位移、速度、加速度均較0%和50%儲液率工況下的結(jié)構(gòu)壁板響應(yīng)大，最大響應(yīng)均發(fā)生在壁板頂端，但100%儲液率工況下的儲液罐壁板的加速度響應(yīng)放大較多。100%儲液率時，設(shè)防地震作用下液體晃動最大波高為0.933m，液體最大動壓力為0.139MPa，在不設(shè)置浮頂時存在液體泄漏的問題；罕遇地震作用下液體晃動最大波高為1.58m，液體最大動壓力為0.291MPa。

4 結(jié)論

對比不同儲液率工況下儲油罐結(jié)構(gòu)在不同加速度峰值作用下的動力響應(yīng)，得到以下結(jié)論：

1)結(jié)構(gòu)的壁板位移、壁板速度、壁板加速度等均隨著加速度峰值的增大而增大；液動壓力等均隨著儲液率的增大有所增大。

2)隨著儲液率的增大，儲液罐的等效應(yīng)力、壁板的速度、加速度等均有所增大，等效應(yīng)力位置也有所變化。

3)隨著儲液率的增大，儲存液體的晃動波高逐漸增大，液體動壓力也有所增大，最大動壓力的位置也隨著儲液率的不同而有所變化。

4)在設(shè)防地震動作用下，儲油罐結(jié)構(gòu)的變形及液體晃動波高能夠滿足規(guī)范要求。對于9度罕遇情況，儲油罐的動力響應(yīng)較大，液體晃動波高較大，有可能發(fā)生泄露。