（化工过程机械专业论文）储液罐动态响应及隔震分析研究.pdf

摘要 储液罐动态响应及隔震分析研究 摘要 随着油田的开发和开采，以及能源储备的需求，储液罐在石油、化工 等行业中的应用日趋广泛，需求量越来越大，并不断朝着大型化的方向发 展。储液罐一般多用来存放易燃、易爆或有毒介质，一旦遭受破坏，不仅 会产生巨大的经济损失，而且会给人们的生活带来灾害性的影响。因为地 震是造成储液罐破坏的主要原因之一，所以，储液罐的隔震问题越来越受 到人们的关注。 基础隔震是目前应用最广泛的隔震形式，本文运用a n s y s 有限元软 件建立了某实际2 0 0 0 0 m 3 储液罐的数值分析模型，并对其进行了隔震前后 的动态响应分析，主要工作如下： l 、对不施加隔震措施的储液罐进行模态分析，分别提取了锚固和非 锚固情况下空罐和满罐的模态以及流体模态； 2 、对不施加隔震措施的满罐储液罐分别在锚固和非锚固情况下进行 地震动态响应分析，分别得到了锚固储液罐动态响应的最大应力强度和非 锚固储液罐动态响应的最大应力强度、最大提离； 3 、分别对锚固和非锚固的满罐储液罐进行隔震后的动态响应分析， 考虑了隔震装置的隔震基频、阻尼比的变化对储液罐隔震的影响，以动力 响应中的最大应力强度值来评价隔震装置的隔震效果，并以此分别确定了 储液罐在锚固和非锚固状况下隔震装置的最佳隔震基频和阻尼比； 北京化工大学硕士学位论文 4 、初步分析了地基的弹性对储液罐地震动态响应的影响。 关键词：储液罐，地震响应，有限元法，隔震 a b s t r a c t d y n a m i ca n da n t i s e i s m i ca n a l y s i s o fl i q u i ds t o r a g et a n k a b s t r a c t w i t ht h ee x p l o i t a t i o no fo i lf i e l d s ，d e m a n df o rl i q u i ds t o r a g et a n k si nt h e p e t r o l e u m ，c h e m i c a la n d o t h e ri n d u s t r i e si sg r a d u a l l yi n c r e a s i n g ，a sw e l la st h e n e e d so fe n e r g yr e s e r v e s a n dt h el i q u i ds t o r a g et a n k sa r ec o n t i n u o u s l y d e v e l o p i n gt o w a r d sl a r g e s c a l e t h el i q u i ds t o r a g et a n k sa r eu s u a l l yu s e dt o s t o r a g ef l a m m a b l e ，e x p l o s i v eo rt o x i cm e d i u m o n c ed e s t r o y e d ，i tw o u l d n o t o n l yb r i n gh u g ee c o n o m i cl o s s e s ，b u ta l s od i s a s t r o u se f f e c t so np e o p l e sl i f e t h e r ea r em a n yf a c t o r st h a tw o u l dc a u s ed e s t r o yo ft h el i q u i ds t o r a g et a n k s ， a n de a r t h q u a k ei st h ep r i m a r yr e a s o nt h a tb r i n ga b o u tt h es a m er e s u l t t h e r e f o r e ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o na r ep a i dt ot h es e i s m i ci s o l a t i o no fl i q u i d s t o r a g et a n k s t h em o s tw i d e l ys o l u t i o nu s e dt ot h ei s o l a t i o ni sb a s e i s o l a t i o n i nt h i s p a p e r , 2 0 0 0 0 m 3l i q u i ds t o r a g et a n ki sm o d e l i n gb yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ( f e a ) p r o g r a ma n s y s ，a n da n a l y s i so ft h et a n kr e s p o n d e dt o s e i s m i ci sc a l c u l a t e d t h em a i nr e s e a r c ha n da c h i e v e m e n ta r eg i v e na s f o l l o w s ： 1 c o n s i d e r i n gt h ee f f e c to ft h ee m p t y , f u l lt a n k ，a n dl i q u i dm o d e l ，t h er e s u l t i i i 北京化工大学硕士学位论文 a r eo b t a i n e df r o mt h em o d e la n a l y s i so ft h el i q u i ds t o r a g et a n kw i t h o u t i s o l a t i o n 2 r e s p o n d e d t os e i s m i cu n d e re i t h e ra n c h o r e do ru n a n c h o r e ds i t u a t i o n s ，t h e v a l u eo ft h em a x i m a ls t r e s s ，t h em a x i m a l l i f td i s t a n c ec o u l db ec a l c u l a t e d i nr e s p e c t i v es i t u a t i o n so ft h el i q u i ds t o r a g et a n k 3 c o n s i d e r i n go ft h ei n f l u e n c eo fi s o l a t i o nf r e q u e n c y , d a m p i n gr a t i o ，t h e i s o l a t i o nl i q u i ds t o r a g et a n kr e s p o n d e dt os e i s m i cu n d e re i t h e ra n c h o r e do r u n a n c h o r e ds i t u a t i o n si s c a l c u l a t e d a d d i t i o n a l l y , t h ei s o l a t e de f f e c t i s e s t i m a t e dw i t ht h em a x i m a ls t r e s st oe n s u r et h eo p t i m a li s o l a t i o n f r e q u e n c ya n dd a m p i n g r a t i o 4 i n f l u e n c eo fs o i lf l e x i b i l i t yo ns e i s m i cr e s p o n s eo fl i q u i ds t o r a g et a n ki s i n i t i a l l ya n a l y z e d k e y w o r d s ：l i q u i ds t o r a g et a n k ，s e i s m i cr e s p o n s e ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， s e i s m i ci s o l a t i o n i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：丝也盗日期：边 ! ：篁芝笸 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 弛出坐 日期： 丝么里：土幺 导师签名：j 肇牡日期： y i 移。讥 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 全球经济快速发展的今天，石油依然是经济发展的重要资源，虽然我国是石油大 国，有着丰富的石油储藏，但是每年仍需进口大量的石油以满足国民经济快速发展的 需求，随着全球经济一体化的发展，我国必须进一步增加石油储备资源，以减少国际 局势动荡对我国经济的影响，因此储液罐在石油、化工等行业中的应用日趋广泛，并 且由于大容量储液罐的单位容量的耗钢量、投资及运营费用较低，所以储液罐的大型 化是发展的必然趋势。 储液罐多用来存放易燃、易爆或有毒介质，一旦遭受破坏，不仅会产生巨大的经 济损失，而且会给人们的生产生活带来灾害性的影响，1 9 3 3 年美国长滩地震中，一储 液罐受到破坏，导致当地居民饮水受到影响。1 9 6 4 年的日本新泻和美国阿拉斯加地震 引起储液罐破坏，燃油溢出，导致了严重的火灾。1 9 7 6 年唐山地震中，一储液罐发生 开裂，汽油全部流出，1 9 7 8 年日本的宫城地震中，油罐发生破坏，造成了大面积陆地 和海域的污染，同年的阿根廷地震、1 9 8 0 年的美国加州中部地震以及1 9 9 5 年日本阪神 地震都造成了油罐的破坏。2 0 0 8 年我国四川汶川发生里氏8 0 级地震，德阳什邡市莹丰 镇金溪化工厂三个液氨储液罐发生不同程度的泄漏。 随着油田的开发和开采，以及能源储备的需求，储液罐的需求量将会越来越大， 早在六七十年代，委内瑞拉、日本和沙特阿拉伯就已经相继建成了1 5 万岔、1 6 万m 3 、 2 4 万m 3 的大型浮顶油罐。在欧洲也出现t 3 0 万m 3 以上的立式储液罐。而我国的大型浮 顶油罐建设在7 0 年代才开始发展，并且在2 0 0 0 年以前我国的储液罐建设全部依赖日 本，储液罐造价居高不下，从设计到建造都处于学习摸索阶段，2 0 0 0 年以后我国储液 罐建造技术逐渐成熟，已经具备了大型储液罐设计建造的能力，设计能力已达2 0 万m 3 ， 2 0 0 7 年在福建青岚山建成了2 台1 5 万m 3 的大型储液罐，2 0 0 8 年在上海白沙湾建成了8 台1 5 万m 3 的大型储液罐，我国大型储液罐的建设已经进入了全面发展的阶段。 储液罐的建设也为人们提出了一个新的课题储液罐的地震响应及抗震研究， 针对该问题的研究已经持续了半个多世纪，储液罐的震害主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 罐壁的破环。圆柱形薄壁金属储液罐的外壁局部失稳是常见的破坏形式。这种 管壁的失稳又分为两种形式：象足鼓胀( 图1 1 ) 和菱形褶皱( 图1 2 ) 。前者是罐壁由 于竖向受压使其向外凸出发生塑性变形，并且这种变形发生在同一水平带上。1 9 7 1 年 的费尔南多地震、1 9 7 6 年的唐山地震、1 9 8 0 年加州中部迪亚布洛山地震均造成了储液 罐象足鼓胀失稳。通过震害分析可知发生这种失稳的原因主要有：其一，储液罐在满 北京化i 大学硬学位论文 罐时容易发生象足失稳，空罐或半罐时不易发生：其二象足失稳多发生于非锚固储 渡罐，而锚固储液罐很少发生，说明罐底的提离可能是导致象足失稳的重要因素。另 外陈冠卿 2 1 通过对唐山地震中储油罐所受震害的分析和验算，发现垂直地麓载荷作用 是造成储渣罐发生象足失稳的主要原因，静液压力以及水平地震荷载是次要因素。 圈1 1 “象足”失稳匿1 - 2 。菱形”失稳 f 罾l l “e l e p h a n t f o o t s t e a d i n e s s l o s i n g ，蟠l 中| i s i d ”$ 妇d m 螂l o s i n g 菱形褶皱也是由于罐壁局部受压过大而失稳，失稳部分因为作用力的继续保持或 重复而向两边转让，并且失稳区在内力的作用下局部沿两斜线向上发展，而形成菱形 失稳块。 ( 2 ) 罐顶的损坏。大型储渡罐罐顶分为固定顶和浮顶两类。前者多采用锥顶或拱项 ( 图1 3 ) ，后者又分为外浮顶和内浮顶，内浮顶储液罐是在拱项储液罐内部增设可随 液面上下移动的浮盘而成，用以减少介质的挥发，外浮顶只有可随液面上下移动的浮 盘，而没有固定的罐顶。 固定顶储液罐的罐顶破坏主要有罐顶与罐壁连接处开裂或屈曲等( 图t _ 4 ) ，浮顶 储i 直罐罐顶的破坏主要是浮顶上部构件损坏。罐顶的破坏主要是由于液体的晃动对罐 顶造成的冲击而引起的。 圈1 - 3 罐的拱顶 r i g , 3 - 1 a r c hr o o f o f t a n k 圈1 4 铺顶的损坏 f 毡1 - 4 d a m a g e o f t h e c o p i n g 攀。一一 雾 第一章绪论 ( 3 ) 罐底扳、锚固件和罐底贴角处焊缝的破坏。这些破坏主要是由于罐底的提离或 基础的不均匀沉降而引起的( m l - 5 ) 。罐底与壁板的连接处是储液罐受力晟复杂、最 危险之处，一旦遭遇地震很容易发生破坏。 图l 巧接缝破裂 f 嘻i ) # o f 血c b u t t w ( 4 ) 管道接头及附件的破坏。这种破坏主要是由于储液罐与附件的位移不一致而造 戒的。 ( 5 ) 软土地基沉陷、液化破坏，引起罐体强度及稳定方面的破坏。 1 2 相关研究 1 2t 储液罐地震响应的研究现状 12 1 1 国外研究现状 对储液罐地震响应的研究最早是从上世纪三十年代开始的，早期的研究工作是将 储液罐假定为一锚固于基础之上的刚性体，h o g a n 3 1 等人完成了储液罐抗震研究的开 创性工作。1 9 5 7 年h o 嘴一对前人的工作进行了总结，提出了著名的刚性储液罐简化 模型，即将刚性储液罐简化为质量弹簧系统。其研究工作的出发点是将剐性储液罐内 的动液效应分成2 部分：一部分是髓罐壁做同步运动的渡体产生的脉动分量，另一部分 是储液罐内液体晃动产生的对流分量。罐壁假设为刚性的，液体假设为不可压缩的、 无旋的理想流体。脉动分量用一个随罐体一起运动的固定质量来模拟，对流分量用弹 簧振子系统来模拟，即将对流液体按等效原则简化为一个与剐性罐壁相连的单自由度 质点系统。该模型困为其简单直观、计算精度较高的优点，很快为人们所接受，并成 为美国和其它一些国家储液罐抗震设计规范的理论基础。 北京化工大学硕士学位论文 考虑储液罐弹性的研究是从六十年代中期开始的，1 9 6 4 年的阿拉斯加地震导致了 大规模的储液罐破坏，而此之前，储液罐的设计都是基于储液罐罐体是刚性体的假设。 人们也因此开始认识到储液罐的弹性在地震中是一个非常重要的因素，不可忽略。 h a r o u n 和h o u s n e r t 孓6 j 用壳单元模拟罐壁，流体部分用附加质量的方法进行模拟， 并用边界积分理论推导出液体的附加质量矩阵，用四个自由度的圆环壳离散罐壁从而 使系统的自由度总数大为减少。他们在分析弹性储液罐的自振特性和地震反应的同时， 还讨论了液体自由表面晃动、初始环应力、固定罐顶等因素对储液罐横向自由振动过 程中的影响。 1 9 7 4 年，v e l e t s o s 7 】提出了一种简化的方法假定模态法，该方法是将储液罐简 化成一个单自由度系统，储液罐内流体的惯性以附加质量的方法等效到罐壁上，并按 照预先假定的变形振动模式进行振动，其计算结果表明将储液罐视为弹性体的地震响 应比视为刚性体的地震响应要强烈得多。1 9 7 6 年这种方法等到了进一步扩展，即后来 的v e l c t s o s y a n g 模型，其实质是将模型简化为了一维悬臂梁，该方法简单实用。是目 前常用的计算储液罐地震动态响应的方法之一。v e l c t s o s _ ；g l y a n g 8 j 应用f l u g g e 壳理论对 弹性储液罐进行了分析，圆柱壳上任意一点的位移用均匀悬臂梁的固有振型叠加来 表示，用部分液体附着于罐壁上的方法来近似模拟罐内液体的效应。经过进一步计算， 最后用r a y l e i g h - r i t z 法得到了空罐和满罐基频的简化公式。 应用有限元法对储液罐的分析是e l i e d w a r d s l 9 1 在1 9 6 9 年首次使用的，他在计算机上 对储液罐进行了液固耦合的地震反应的动力学模拟。此后，有限元法便被广泛应用于 储液罐的地震动态响应分析研究中。n a s h 教授用有限元法对圆柱形储液罐进行了多方 面的研究，他们忽略了液体自由表面晃动的情况，将流体假设为无粘、无旋、不可压 缩的理想流体。分别对罐体和流体进行单元离散，将罐壁视为弹性薄壳离散为环形壳 单元，流体离散成具有矩形截面的环形单元，最终将复杂的罐一液耦合问题简化成具 有附加质量的空罐振动问题，此附加质量模拟的就是液体对地震响应的影响，得到了 由流体脉冲压力所导致的壳体应力和位移的时间历程反应。b a l e n b r a 、a n g 、p r a m a s i v a m 和l e e 同样用有限元法对储液罐进行了分析，最后得出了液体自由表面晃动与储液罐 液一固耦合振动之间的关联度很小的结论，两者可以作为两个振动系统分别考虑。 1 2 1 2 国内研究现状 我国的储液罐抗震研究最早开始于上世纪七十年代，经过多年的发展，储液罐的 抗震分析研究已逐步走向成熟，在前人的基础上，近几年我国对大型储液罐地震响应 的研究主要表现在以下三个方面：l 、自振特性分析，即模态分析：2 、动态响应分析； 3 、隔震抗震分析。 邓民宪【1 0 l 等人采用有限元方法，对常压立式拱顶储油罐进行了同时考虑静载和动 第一章绪论 载的地震应力计算分析，给出了储液罐轴向应力的分布状况，并与相关抗震设计规范 中的验算公式得出的结果进行了比较。其研究结果表明：储油罐在地震动力作用下的 受力状态不是均匀分布，出现了峰值和谷值，而这些应力峰值大于工业设备抗震鉴定 标准和石油化工设备抗震鉴定标准中公式的计算应力值，在对储液罐隔震设计时应引 起足够的注意。 郑天心l l l j 运用大型有限元程序a n s y s 建立有关液体晃动和罐底提离的储液罐模型， 考虑了壳一液的多种移动边界、几何大变形和流体液面晃动、粘性等多种非线性因素， 分析了非锚固储液罐的地震动态响应。 文献 1 2 】采用有限元法对储液罐进行了液面晃动及提离反应的地震动态响应分 析，并考虑了储液罐与地基的相互作用。结果表明：液体的晃动周期受地震的影响， 是长周期运动。在一定的地震烈度下，不同大小的体积罐均可以发生提离，提离的时 刻出现在地震峰值过后的一段时间内，并且大体积罐的提离明显小于小体积罐。 大量的震害调查以及研究结果表明：液体的晃动和液固耦合的地震响应分析，可 以单独考虑。除我国之外，美国和日本等国的抗震设计规范也是这样考虑的。因此， 孙建刚【1 3 】提出了储液罐抗震设计的简化实用计算方法，把原来三质点体系的分析模型 进一步简化为单质点的模型，将隔震装置刚度与阻尼取为与等效质量对应刚度的串联 模型。 以往对储液罐抗震设计研究主要从改变刚度和强度出发来减小储液罐在地震中 的破坏。当今的设计规范并不能反映储液罐在受到地震载荷作用下的低周疲劳效应， 因此，周利剑【1 4 1 等人提出了更为合理的抗震设计- 按照储液罐在未来地震作用下的 损伤允许值来进行设计，提出了能与现行的设计准则相衔的接立式储液罐地震损伤性 能目标，并初步提出了建立评价提离破坏等级的损伤指标体系，给出了储液罐各震害 等级对应的损伤指数，该设计方法还考虑到了储液罐的提离累积损伤。 储液罐在地震中受到的外载荷来自两方面，一方面来自地震荷载，另一方面来自 罐中液体的静水压力和动水压力。地震过程中罐中液体的动水压力分布和大小是造成 储液罐变形的重要原因，反之，储液罐的变形又对动水压力分布有着很大的影响，因 此储液罐液固耦合的反应问题是一个非常复杂的问题，其解的稳定性受很多因素的影 响。刘焕忠【1 5 l 等人运用a b a q u s 有限元分析软件，对储液罐进行了三维非线性动力响 应数值模拟，并与实验结果进行了对比，在传统的附加质量分布公式的基础上提出了 改进的附加质量分布公式，从而对流固耦合问题进行了进一步简化，与传统的附加质 量分布公式相反，新公式附加质量特点是沿储液罐罐壁上大下小，呈倒三角状分布， 而且用新公式计算的储液罐产生了“象足效应 和“钻石效应的变形，与试验现象 相吻合，但用传统的附加质量公式计算的结果并未出现“象足效应和“钻石效应 的变形，所以对于大直径、薄壁壳体储液罐容器，由传统的附加质量公式确定罐中液 体的附加质量是不安全的。 北京化工大学硕士学位论文 徐刚【1 6 1 等人用适合于求解大型非对称矩阵的部分特征值问题的a m o l d i 方法分析 了储液罐的动力问题，将储液罐流固耦合系统中的液体和储液罐分别视为理想可压缩 流体和线弹性固体，采用流体压力单元和固体壳单元对流固耦合系统进行有限元离散， 得到一个非对称的大型流固耦合有限元方程，并对其进行了求解，得到了储液容器的 动力特性。 陈建胡i l7 】等人以h a r o u n h o u s n c r 模型和双自由度的集总参数模型为基础，建立了 锚固储液罐的土一罐一液相互作用的分析模型，进行了地震相应分析。 1 2 2 隔震抗震的研究现状 隔震是在建筑物和构筑物的基底或某个位置设置控制机构来隔离或耗散地震能 量，以减少向上部结构传输的地震能量，使结构振动反应减轻，即所谓隔离地震。由 于隔震系统的水平刚度相对于上部结构很小，使结构在基础面上柔性滑动，因此结构 的自振周期会大大延长，避开地震的卓越周期，地震能量主要集中消耗在隔震层，而 上部结构变形非常4 , t 1 8 】【1 9 】，从而保障建筑物的安全。随着科技发展，隔震技术越来越 受到人们的重视。 传统的抗震设计是弹塑性设计方法，主要利用结构主体结构抗侧力构件屈服后 的塑性变形来耗散地震的能量，增加结构强度可以在一定程度上抵御地震的破坏。 基础隔震是一种新型的结构防震技术，它能有效地吸收地震能量，减少结构的水 平地震作用，从而消除或减轻结构和非结构的地震损坏。这种技术最早应用在建筑领 域，1 9 0 8 年意大利的m e s s i n ar c g g i o 地区发生的地震造成了大量的人员伤亡，随后有 人提出用一层砂和滚木把基础与结构分开地方法来进行隔震【2 0 j ，这是迄今为止应用最 早的基础隔震。随着隔震技术的发展，基础隔震应用范围不断扩大，在设备的减震抗 震方面已经有了较为成熟的应用。 基础隔震是目前储液罐实现隔震的主要手段，对于储液罐的隔震研究，1 9 9 0 年，c h a l h o u bms 和k e l l yjm 【2 1 】对隔震前后的储液罐进行了振动台试验，证明了隔震后 储液罐内液体的动水压力随着液面的缓慢上升而显著降低。1 9 9 3 年，t a j i r i a nfe 2 2 1 将 储液罐安装在由很多短柱支撑的混凝土片筏上，通过其摆动来实现隔震。1 9 9 5 年，k i m ns 和l e edg t 2 3 l 对储液罐采用叠层铅芯橡胶支座实施隔震，进行了单向激励下的动响 应研究，分析结果显示该隔震支座能够有效减小储液罐的地震动态响应。z a y a sv s 和l o wds 2 4 对采用摩擦摆动支座进行隔震的储液罐进行了研究。n a m 。s i kk i m 和 d o n g - g u e nl e e t 2 5 】对储液罐隔震系统进行了拟动力试验，并评价了其抗震性能。1 9 9 7 年，m a l h o t r amk 【2 6 】对储液罐采用水平弹性橡胶支座进行隔震，施加单向激励进行 了地震响应研究。1 9 9 7 年，m a l h o t r amk t 2 7 1 采用周边支撑软橡胶垫环梁进行减振研究， 其研究结果表明：隔震后罐壁的轴向应力有明显减小，但是晃动位移有所增加，轴向 第一章绪论 应力的减少能在一定程度上避免“象足屈曲。1 9 9 8 年，m a l h o t r amk 【2 8 】采用周边附 加扭转梁钢阻尼器的方法实现耗能减震。2 0 0 1 年w a n gyp 等【2 9 】对储液罐采用摩擦摆 动系统( f p s ) 进行隔震，并分析了单向激励下的地震相应，隔震效果良好。2 0 0 2 , - - - 2 0 0 4 年，s h d m a l imk 和j a n g i drs d o - 3 4 分析对比了采用不同隔震体系实施隔震的储液 罐，取得了以下成果：( 1 ) 普通叠层橡胶座、铅芯叠层橡胶支座和摩擦摆隔震系统都 能够有效降低储液罐的地震响应，其中叠层橡胶支座效果最好；( 2 ) 高罐比矮罐隔震 效果要好，且隔震后储液罐晃动位移有所增加；( 3 ) 分别采用反应谱法、模态叠加法 等对储液罐进行了地震动态响应分析，提出了评价储液罐隔震地震响应的简化方法； ( 4 ) 研究了隔震装置的刚度、阻尼等参数对储液罐基础隔震效果的影响，并给出了 最优的设计参数。同时期内，c h okh ，k i mmk 等【3 5 娜】对储液罐进行基础隔震，将地 基假定为半空间无限体，采用有限元和边界元耦合的方法研究了其动态响应结果，并 考虑了液体、结构以及土壤的相互作用。2 0 0 4 年，j a d h a vmb 和j a n g i drs 【3 7 】对储液罐 分别采用弹性橡胶支座和滑移系统实施隔震，并进行了地震响应分析的对比研究，提 出了评价储液罐隔震地震响应的近似模型。 1 9 9 4 年，梁波和唐家祥p s j 对柔性储液罐采用铅芯橡胶支座作为隔震装置进行了地 震反应分析研究，证实了隔震装置能够有效降低储液罐的地震响应。孙建刚教授一直 致力于储液罐抗震方面的研究【1 , 1 2 - 1 4 ，3 9 - 5 3 ，建立了基底加橡胶隔震装置的立式弹性钢 制储液容器的力学模型，给出了二质点，三质点体系分析的运动方程以及求解基底剪力 和倾覆弯矩的方法振型分解法。其前提是将罐底视为刚性，罐壁假定为弹性的， 储液罐和基础之间加橡胶垫隔震系统，假定液体为无旋、无粘、不可压缩的理想流体， 忽略液体自重表面的晃动的影响，并考虑了流固耦合对储液罐响应的影响。由于刚性 质量脉冲所产生的动效应可以忽略，孙建刚教授又提出了双参数立式储液罐隔震设 计的方案考虑晃动和液固耦联振动双约束下的储液罐隔震设计方法。其分析结果 表明：隔震基频宜控制在为2 - 3r a d s ，设计时可根据已知场地特征频率、衰减比、隔 震阻尼比来确定隔震基频，对于不同容积储液罐在不同场地的情况下，当阻尼比为o 1 时，其隔震减震效果均达4 0 以上增大隔震阻尼比，可提高减震效果，但考虑工程应 用实际，隔震阻尼比宜取0 1 o 3 。 1 3 本课题的主要研究工作 本文以某实际在役的2 0 0 0 0m 3 储液罐为研究对象，运用a n s y s 有限元软件对其 进行了隔震前后的地震响应分析，主要进行了以下方面的研究： 1 、对不施加隔震措施的储液罐进行模态分析，分别提取了锚固和非锚固情况下空罐 和满罐的模态以及流体模态； 2 、对不施加隔震措施的满罐储液罐分别在锚固和非锚固情况下进行地震动态响应分 北京化工大学硕士学位论文 析，分别得到了锚固储液罐动态响应的最大应力强度和非锚固储液罐动态响应的 最大应力强度、最大提离； 3 、分别对锚固和非锚固的满罐储液罐进行隔震分析，考虑了隔震装置最重要的两个 基本参数，即：隔震基频、阻尼比的变化对储液罐隔震的影响，以动力响应中的 最大应力强度值来评价隔震装置的隔震效果，并以此分别确定了储液罐在锚固和 非锚固状况下隔震装置的最佳隔震基频和阻尼比； 4 、初步分析了地基的弹性对储液罐地震动态响应的影响。 * 章储渡罐模型参数肚有限x 模型的建a 第二章储液罐模型参数及有限元模型的建立 21 模型参数 本文是对实际已建好的某在役储液罐进行地震动态响应分析，所分析的储液罐位 于广西防港港口区东部吹填区设计储存物料为高纯复合液化石油气，储液罐容积为 2 0 0 0 0 r n 3 ，直径3 4 m ，材质为0 9 m r i n i d r ，壁板高度为2 42 6 m ，拱顶高度为59 9 m ，储 液罐总高度3 07 1 2 m ，在1 44 6 m 和2 08 6 m 处设有加强圈，底板厚1 0 m m ，拱顶板厚8 m m ， 壁板共1 0 圈，储液罐密度7 8 5 0 k g m 3 ，泊松l l t ，= 0 3 ，弹性模量为2 x 1 0 ”p a ，屈服极限m = 4 1 0 m p a 。储液密度) b 5 8 0 k g m 3 ，储液高度2 2 1 1 2 m ，设各总重5 8 63 6 吨。各圈壁厚及 板宽如表2 ，1 所示。图2 1 为建成的储液罐。 袁2 1 储液罐壁厚及板宽 t 丑h i e 2 - 1 t h i c k n e s sa n d w i d t h o f t a n k w a l l 第i 1 圈 123456 7 , 8 91 0 扳厚m m 2 22 0埽1 61 41 21 01 02 4 板宽m m 2 9 7 0 2 9 7 02 9 7 02 9 7 02 9 7 02 2 7 02 2 7 02 1 0 05 0 0 22 隔震系统 圈2 1 储液罐 f i 9 2 1 l i q u i ds t o r a g e t a n k 多年来人们对建筑物的隔震进行了多方面的研究，但目前最主要的隔震形式是实 施基础隔震，基础隔震是指在上部结构与基础之间施加隔震措旖以减小在地震时上部 结构的动态响应，结构基础隔震体系按隔震机理的不同可以划分为虬下几种形式1 5 ”： 北京化工大学硕士学位论文 叠层橡胶垫隔震体系、滑动摩擦隔震体系、组合隔震体系、摩擦摆体系、滚轴或滚珠 摩擦隔震体系、滑动凹面基础隔震体系等。 橡胶垫隔震体系是目前应用最成熟最广泛的隔震形式。就是在建筑物的基础上设 置一道橡胶垫隔震层，使建筑物的上部结构和基础隔开，将过去传统的“硬抗 技术 转变为“软抗”。通过橡胶隔震层的柔性来减小地震对上部结构的影响，从而大大减 小建筑物结构在地震中的摇晃。在施加了隔震措施后，上部结构可以由剧烈的摆动变 为缓慢的平动，使整个上部结构在晃动过程中基本上处于弹性状态，这样可以有效地 吸收和阻断向上部结构输入的地震能量，从而减小建筑物上部结构的地震反应，提高 建筑物的抗震能力 影响隔震效果好坏的因素主要有两个： l 、自振周期。储液罐的自振周期与地震的卓越周期的接近程度是影响储液罐坏 的主要因素，当两者很接近时，就会引起强烈的共振，储液罐便很容易破坏。施加隔 震措施的目的一般是大大延长结构物的自振周期，让整个建筑结构的自振周期远离地 震的卓越周期，从而可以有效的减小储液罐的破坏程度。 2 、阻尼。研究表明增大结构的阻尼可以有效的加快能量的耗散，减小系统的位 移响应。但减震装置阻尼的增加可能同时会引起结构刚度的增加，因此在进行隔震设 计时需要考虑阻尼与结构刚度的之间的关系，根据实际情况进行优化设计。一般情况 下，橡胶垫类的隔震支座可以提供0 1 - 0 3 的阻尼比。 2 2 1 橡胶支座的分类 橡胶材料具有优异的阻尼特性，由于其良好的减震性能，橡胶隔震支座已经应用 到了建筑、桥梁等多个领域。 隔震橡胶支座的优点主要有： 1 ) 具有很强的竖向承载能力和很小的压缩变形，可确保建筑物的正常使用； 2 ) 具有较大的水平刚度，在地震作用下，可以耗散部分地震能量，减小建筑物 的破坏程度； 3 ) 具有弹性复位特性，地震后建筑物能够自动恢复原位； 4 ) 耐久性好，抗低周疲劳性能、抗老化、耐腐蚀性、耐酸性、耐水性均较好， 具有较长的使用寿命； 5 ) 设计及施工方便，成本较低。 目前常用的橡胶隔震支座有以下几种： 1 、铅芯橡胶支座( 见图2 2 ) 。 这种橡胶支座通常由天然橡胶和纯度较高的铅制作而成，铅芯水平方向刚度较 低，具有滞后阻尼特性，主要通过铅芯的剪切变形来吸收地震能量，由于铅棒的屈服 第二章储液罐模型参数及有限元模型的建立 极限较低，再加上周围橡胶的约束力，橡胶支座在受力终止时可以恢复到初始未变形 状态，但是单独使用铅棒不容易吸收能量，两者的配合使用可以使橡胶支座有较好的 减震性能，经过计算及试验研究得知，其阻尼可达0 2 - 0 3 。并且铅芯使橡胶支座早期 水平刚度有所增加，有利于控制风反应和抵抗地基微震动。 图2 - 2 铅芯橡胶支座 r i 9 2 2l e a dr u b b e rb e a r i n g s 2 、夹层橡胶支座( 见图2 3 ) 这种橡胶垫是在高温高压下由橡胶板和薄钢板分层交替叠合而成，由于钢板约束 了橡胶板水平变形的能力，因此有很大的竖向刚度，但是橡胶的水平变形能力没有受到 影响，有相对于竖向刚度很小的水平刚度，因此橡胶垫具有很好的水平隔震能力。但 其阻尼性能较低，一般不单独使用。在实际应用时，为了满足隔震结构体系对阻尼值的 要求，通常与外加阻尼器一起使用。 图2 3 夹层橡胶支座 f i 9 2 - 3l a m i n a t e dr u b b e rb e a r i n g s 3 、高阻尼橡胶支座 这种支座采用高阻尼橡胶材料制成，高阻尼橡胶一般是通过在普通橡胶中加入如 石墨之类的碳元素物质而制得的，可通过控制加入石墨的量来调节阻尼比，高阻尼橡 北京化工大学硕士学位论文 胶隔震支座可以单独使用，不需配合阻尼器。 2 2 2 橡胶支座的力学性能 橡胶隔震支座能够正常工作必须满足以下几个条件：较大的竖向支撑能力、一定 的抗拉能力、合适的水平刚度和阻尼。 l 、水平刚度 通常情况下，橡胶隔震支座的水平刚度是近似按纯剪情况进行计算的： k = g 4 乃 ( 2 一1 ) k 。一叠层橡胶垫水平剪切刚度； g _ 橡胶材料剪切模量； a ，橡胶垫有效水平剪切面积； t 厂_ 橡胶垫中的橡胶层总高度； 2 、竖向刚度 因为橡胶垫支座正常工作状态下是受压的，避免受拉，因此，通常所说的橡胶垫 的竖向刚度一般是指竖向受压刚度。可以用如下公式来表示 k 矿= p 西 ( 2 2 ) k ，隔震支座的竖向刚度； p 隔震支座承受的竖向压力； 6r 隔震支座竖向压缩变形； 目前，橡胶支座竖向受压刚度主要采用1 9 8 1 年l i n d l e y 提出的计算理论： k v = 如i n t ( 2 - 3 ) e c b _ 蜂正后的橡胶纵弹性模量； a 支座的受压面积； n 橡胶的层数 t 广单层橡胶的厚度 由于( 2 - 3 ) 式计算较为复杂，后来，刘文光、周福霖【5 5 】等在该模型基础上，提出了 种更为简单实用的计算方法一刚度因子简化法。 k产必lk帅(2-4) 竖向刚度因子，其值为6 磷毛( 6 g 研+ 忍) ； s 。第一形状系数； k 。- _ 一竖向压力为零时橡胶隔震支座的水平刚度； 2 3 结构阻尼 第二章储液罐模型参数及有限元模型的建立 阻尼是反映结构体系振动过程中能量耗散特征的参数，实际结构振动时耗能是多 方面的，具体形式相当复杂，而且耗能不像构件尺寸、结构质量、刚度等有明确的、 直接的测量手段和相应的分析方法，因此阻尼问题难以采用精细的理论分析方法。结 构振动时耗能因素较多，但影响程度有所不同。一般认为振动过程中耗能因素有如下 几方面：( 1 ) 结构材料内摩擦；( 2 ) 连接处干摩擦：( 3 ) 空气阻尼：( 4 ) 地基土内摩 擦；( 5 ) 地基中波的辐射耗能。当结构体系进入弹塑性状态时，构件的塑性耗能将远 大于上述各项耗能，一般分析中不将塑性耗能纳入阻尼耗能，而是单独加以表达，地 基土产生塑性变形时也会耗散较多的能量，根据实际情况来确定是否将其作为阻尼来 考虑。 油田储液罐结构阻尼系统包括储液罐罐壁内摩擦阻尼、液体的晃动阻尼、地基辐 射阻尼等。而液体的晃动阻尼比较小，对于结构的自振周期影响可以忽略不计1 5 6 1 。另 外对于钢结构的板单元、梁单元和板梁组合，在结构瞬态响应过程中，结构阻尼对动 态响应的影响很小，此时可以忽略不计而简化求解过程p 刀。 2 4 单元选择 在建立储液罐的有限元模型时，储液罐的管壁、底板及拱顶均选用s h e l l6 3 单元 ( 图2 - 4 ) ，s h e l l 6 3 单元既具有弯曲能力又具有膜力，可以承受平面内荷载和法向荷 载，该单元具有6 个自由度：沿节点坐标系x 、y 、z 方向的平动和沿节点坐标系x 、y 、 z 轴的转动。 图2 4 s h e l l 6 3 单元 f i 9 2 - 4s h e l l 6 3e l e m e n t 储液罐的加强圈采用b e a m l 8 8 单元( 图2 5 ) ，该单元是一个二节点的三维线性梁， 每个节点有六个或者七个自由度。自由度数目的变化是由k e y o p t ( 1 ) 来控制的，当 k e y o p t ( 1 ) - - 0 ( 缺省) 时，该单元有六个自由度；节点坐标系的x 、y 、z 方向的平 动和绕x 、y 、z 轴的转动。当k e y o p t ( 1 ) = 1 时，就引入了第七个自由度( 横截面的 北京化工大学硕士学位论文 翘曲) 。这个单元非常适合线性、大角度转动和非线性大应变问题。 z 图2 5b e a m l 8 8 单元 f i 9 2 - 5b e a m i8 8e l e m e n t x 储液罐中的流体采用f l u i d 3 0 和f l u i d 8 0 单元( 图2 6 ) ，均通过8 个节点来定义， 两者都适用于流固耦合问题的分析，f l u i d 3 0 单元每个节点有三个自由度：x 、y 、z 方向的平移，但是平移只适用于交界面上，该单元用于储液罐的模态分析。f l u i d s 0 单元每个节点有三个方向的自由度：沿x 、y 、z 方向的平移，该单元多用于容器内流 体的晃动分析，在本文中用于流体的模态分析。 m p 图2 - 6f l u i d 3 0 和f l u i d s o 单元 f i 9 2 - 6f l u i d 3 0a n df l u i d s 0e l e m e n t 储液罐的基础采用s o l i d 4 5 单元( 图2 7 ) ，该单元用于构造三维实体结构，单元 通过8 个节点来定义，每个节点有3 个沿着x 、y 、z 方向平移的自由度。 第二章储液罐模型参数及有限元模型的建立 m p 图2 7s o l i d 4 5 单元 f i 9 2 7s o l i d 4 5e l e m e n t 隔震装置中的隔震橡胶垫采用c o m b i n l 4 弹簧阻尼单元( 图2 8 ) ，c o m b i n l 4 具 有l 维，2 维或3 维应用中的轴向或扭转的性能，轴向的弹簧阻尼器选项是一维的拉伸 或压缩单元，它的每个节点具有3 个自由度：x 、y 、z 的轴向移动，它不能考虑弯曲或 扭转。扭转的弹簧阻尼器选项是一个纯扭转单元。它的每个节点具有3 个自由度：可 实现绕节点坐标x 、y 、z 轴的旋转。每个橡胶垫用三个c o m b i n l 4 弹簧阻尼单元模拟， 如图2 9 所示。节点a 、c 在y 方向自由度耦合，节点d 、b 在x 方向自由度耦合，a 、b 分别 与储液罐和基础连在一起。 图2 - 8c o m b i n l 4 单元 f i 9 2 8c o m b i n 1 4e l e m e n t b yx 图2 9 隔震支座模型 f i 9 2 - 9m o d e lo fi s o l a t i o n 北京化i 大学硕学位论文 2 5 右限元模型的建立 在建模过程中对储液罐进行了适当的简化，忽略了所有接管和开孔，储液罐曲有 限元模型如图2 1 0 所示，储液罐与基础之间施加接触对，对基础的底部节点进行自由 度全约束。基础为混凝土材料，密度为1 8 0 0 k 一，泊松比删3 5 ，弹性模t i r 3 0 g p a 。 圈2 一1 0 储渡罐有限元模型图 f i 9 2 - 1 0 f i n i t ec l e m e n t m o d e l o f t h e u i d s l 0 t a n k 第三章隔震前储液罐的地震响应分析 3 1 模态分析 第三章隔震前储液罐的地震响应分析 模态分析用于确定设计结构或机械部件的振动特性，即结构的固有频率和振型， 给出模态参与系数。它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数，同时模态分析也是 进行谱分析、模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析中所必需的前期分析过程。 模态分析技术的应用可归结为以下几个方面【5 8 】：( 1 ) 评价现有结构系统的 动态特性；( 2 ) 在新产品