全容式LNG储罐的地震作用计算模型研究

郑建华等全容式 L N G储罐的地震作用计算模型研究 全容式 L N G储罐 的地震作用计算模型研究 郑建华 李金光李艳辉 中国寰球工程公司北京1 0 0 0 2 9 摘要 介绍国际工程界常用的三种地震作用计算模型 对各个计算模型的优缺点进行分析比较 并对 L N G储罐地震作用计算要点进行总结 关键词全容式L N G储罐地震计算模型 L N G储罐是 L N G接收站工程项 目中技术含量 最高和投资最大的单体设施 也是整个项 目的核 心 全容式 L N G储罐是现阶段国内 L N G接收站常 用 的结构形式 它由一个含镍元素 9 的低温钢内 罐 主容器 和一个 预应力 钢筋混凝 土外罐 次 容器 构成 外罐的主要功能为保护内罐免遭外 部灾难事件 的破坏 且在 内罐破裂 时也能提供安 全保护防止液体泄漏 地震是典型的外部灾难事 件 L N G储罐一旦遭 到地震破坏 不但威胁到天 然气的存储和影 响人 们 的正常生产生 活 而且 引 发的二次灾害对周 围居 民生活和环 境 的危害也十 分巨大 因此 全容式 L N G储罐的地震作用计算 是 L N G储罐设 计的一项重 要内容 由于储罐是 由 固体内外罐和盛装的液体组成的混合体 其动力 特性不同于一般的结构 因此对其地震作用计算 模型应进行专 门的研 究 而所有规 范仅对 内罐 的 计算有相关规定 对 储罐 的整体地震 作用如何计 算则没有 明确 的计算 方法 本文介 绍 了几种 国际 工程界常用 的储罐地震作用计算模 型并做 了分析 比较 1 罐内液体在地震作用下的反应特性 内罐的液体质 量在地震作用下 可分为晃动质 量 S l o s h i n g Ma s s 和冲击 质量 I mp u l s i v e Ma s s 两个部分 其质 量可根据参考文献 1 2计算 当 受水平加 速度作用时 一部分液体 与内罐罐 壁刚 性联系在一起运 动 相 当于实体接 触 这部分 液 体质量称为冲击质量 另一部分液体则柔性 地与 罐壁接触 在罐内晃动 这部分液体质量称为晃 动质量 晃动质量 和冲击 质量 的作用 区域是 不 同 的 见图 l 它们对罐壁和底板形成的动压力分布 及等效作用高度 见图 2 一般情况下 液体 的晃动作用周期较长 约为 1 0 s 冲击作用周期则 较短 约为 0 5 s 加 速 度 方 向 图1 地震作用下的液体反应示意图 图 2地震 作用下的液体 动压 力分 布示意图 对于圆柱形容器 当受水平加速度作用时 根据 H o u s n e r 1 9 5 0 公式 作用于容器侧壁上 的 冲击动压力为 p O 一 小一 音 c o s0 1 式 中 a t 为水平加速度 m s P为储液罐 中 液体的密度 k g m r 为储液罐半径 m h为液 郑建华 教授级高级工程师 1 9 8 9 年毕业于重庆建筑工程学院结构工程专业获硕士学位 现主要从事 L N G 接收站的设计工作 联系 电话 0 1 0 5 8 6 7 5 6 0 1 E m a i l z h e n g ii a n h u a h q c e e 1 3 0 1 11 黠 h 下 上 矬 T h 1 2 CHE CAL ENGD RI NG DEs I GN 位高度 1T I 0为任 意一点 沿 圆周 方 向的方位角 r a d Z 为该点距底板 的高度 i n 2 储罐的地震作用计算模型 L N G储罐在遇到地震作用时 所遭受的作用 力为内罐与外罐 自身质量所产生的惯性力和罐内 液体所产生的动压力两个部分 如何合理地模拟 罐内液体在地震作用下的动压力效应是 L N G储罐 地震作用计算 的关键 目前 国际工程界 常用液 固 耦合法 集 中质量法 简化 和附加质量 法简化三种 计算模型来进行储罐的地震作用计算 2 I 液固耦合法计算模型 该模型是 直接从 固体 流体 的运动本 质入手 利用有限元计算技术来进行罐内液体和固体在边 界耦合条件下的动力分析 求得整个储罐在地震 作用下的反应 计算简图见图 3 L 5 J LNG 液体 图 3 储罐 的液 固耦合模型计算简 图 由于储罐结 构 的对称 性 一 般该模 型用轴对 称单元来模 拟实体结 构 这 样可简 化模型 的复 杂 程度 提高计 算效率 钢 质 内罐 和混凝 土外罐 用 可壳单元来模拟 内罐的 L N G液体用流体单元来 模拟 在流体单元和内罐罐底及罐壁的交界处 用耦合方程来约束模拟液体和固体的相互作用 该模型能 反应罐 内液体 的真实动 力特性 还 能算出液 面的晃动波 高 该 模型对 软件 的要求 比 较高 要有能进行液固耦合分析的功能 计算也 较为复杂 2 2 集 中质量法计算模型 该模型 以液体 在地震 作用下 的反应特性 为基 础 利用液体动压力作用效应等效的原则来建立 计算模型 常用的液体计算模型为两质点集 中质 量计算模型 即把液体 冲击 作用部分 的质量 和晃 动部分的质量放置到其对应的等效作用高度上 然后用弹簧单元将其与外罐底板加以约束 计算 简图见图4 图中参数可根据下式计算 h i 0 3 7 5 1 0 1 333 O 866 9 eosh 1 9 37 1 H c3 D K 6 o 2 3 0百 Dt a I l l l m 7 8 ta n h 一 式 中 D 为 内罐 的直 径 I r l t为 内罐 的 壁 厚 mm H为液体 的设计液位 m P为液体 的密度 k m m 为液体的总质量 k g m 为液体的冲 击质量 k g 在实际计算时还应在上式计算值基础 上再加上内罐的罐体质量进行修正 m 为液体的 晃动质量 k g T i 为液体冲击作用的液一 固耦联振 动周期 s T 为液体晃动振动周期 s K i 为冲 击质量对应的弹簧刚度 N m K 为晃动质量对 应的弹簧刚度 N m C 为系数 可查表于参考 文献 1附录 E 该模型一般 采用三维计算模 型 根据储 罐 的 对称性 可取一半模型来进行计算 混凝土外罐 用可壳单元来模拟 内罐的 L N G液体用质点单元 郑建华等全容式L N G储罐的地震作用计算模型研究 1 3 和弹簧连接单元来模拟 2 3 附加质量法计算模型 由于液体晃 动动压力 的周期较 长 作 用力较 小 且与冲击 动压力 的作 用步调不 一致 故在计 算时可不考虑该部分动压力 的影 响 仅 考虑液体 冲击动压力的作用即可 该计算模型基本思想是 把液体对罐壁某点的冲击动压力等效 为与该点一 起运动 的附加质量对该点 的惯 性力 把附加质量 附于到相应位置处 的钢制罐壁 上 同时应 考虑液 体的不可压缩性 计算简图见 图 5 图 5 储罐的 附加质量模型计算简 图 根据上文 的 H o u s n e r 动压力公式 可推导 出某 位置处的附加质量为 m O 一 1 一 音 ta n h c o s0 1o 附加质量法是一种计算 流固耦合 问题 的近似 方法 它将液体等效为附加质量 使 得计算解耦 减少了计算量 缺点是无法计算液体 的晃动情况 并把罐壁假设成为刚性体 与实际情况稍有差异 由于不需要考虑 液固耦 合作用 上述两种质 量简化模 型的计算 效率大为提高 它们既模拟 了 罐内液体 的动 力效 应 又能参与 与外罐 的相互作 用 能够较好地模拟储罐的整体动力特性 对软 件的要求也不高 且计算方法易被工程设计人员 掌握 不足之处是无法计算 出液面的晃动波高 由于地震 作用是一种动力作 用 其 反应仅跟 质量和刚度相关 而保冷层等辅 助材料 的质量很 小 刚度更软 对整个 结构 的动力反应影 响很小 因此 上述三种计算模 型都只需把这 些材料 的质 量附加到外罐模型 中 只考虑质量影 响而忽略其 刚度的影响 3 储罐的地震作用计算要点 对于 L N G储罐的地震作用计算 目前 的抗震 设计规范都推荐为一般情况下采用设计反应谱的 形式 据此原则 全容式 L N G储罐 的地震作用计 算宜采用振型分解反应谱法 按照操作基准地震 O B E 和安全停运地震 S S E 进行设计 7 J 3 1 操作基准地震 操作基准地震 O B E 是指 5 0年内超越概率 为 1 0 重现期为4 7 5年 的5 阻尼 比反应谱表 示 的地震 该 级别 的地 震不会造成 持久破坏 不 会影响操作的整体性 可以重新启动并继续进行 安全操作 3 2 安全停运地震 安全停运地震 S S E 是指 5 0年内超越概 率 为2 重现期为2 4 7 5年 的5 阻尼 比反应谱表 示 的地震 或 5 O年 内超越概率为 1 重现期为 4 9 7 5年 的5 阻尼反应谱表示的地震 但该反应 谱的最大值不应大于 O B E反应谱最大值 的 2倍 该级别 的地震对 储罐造 成永久性 破坏 可 以接受 但不能破坏整体性和对液体的包容性 只有经过 详细的检查和结构评估后 储罐才能继续运行 3 3 计算 储罐应进行水平 向和竖向地震作用计 算 竖 向地震加 速 度应 不小 于水 平 向加 速度 最 大 值 的 5 0 7 3 可取6 5 水平单向总体效应可通过 平方 和均方根 S R S S 方法进行 组合 不 同方 向 的效应组合应根据 一方 效应 1 0 0 和另一方 效应 3 0 的原 则进行 组 合 即 1 0 0 水 平 向效应 3 0 竖向效应 或 3 0 水平向效应 1 0 0 竖 向 效应 3 3 1 阻尼 比取值 对于储罐计算模型各部分质量的阻尼 比 的取 值 可按下列数值取用 1 混凝土外罐对应的阻尼 比 为 5 2 晃 动 质 量m 对 应 的 阻 尼 比 为 0 5 1 2 1 3 冲 击 质 量 对 应 的 阻 尼 比 磊 为 5 J 或 2 3 3 2 阻尼系数调整 由于 O B E和 S S E地震反应谱是 以 5 的阻尼 比为基础 的 而储罐的地震作用计算模 型包 含 的 各部分质量 的阻尼 比与 5 不尽相 同 因此 应根 据阻尼比的不 同调整 反应谱 为达 到此 目的 可 用阻尼调整系数 1 1 来进行 不同的规范 对该值 的取值有不同的公式 8 9 1 4 CH E MI C A L E NG I N E E R I NG D E S I GN 化工设计 2 0 1 2 2 2 2 7 o 5 5 1 2 尽可 能合理 它们在不同阻尼比情况下的值与 N e w m a r k a n d 参 考 文 献 H a l l 1 9 8 2 的理论推导值的对比见表 1 表 1 不同阻尼比与 N e w ma r k a n d Ho l l 理论推导值对比 式 1 2 Ne w m k a n d Ha l l 式 1 1 O 5 1 3 48 1 8 8 1 5 1 1 1 O 1 2 9 1 1 6 2 1 4 1 7 2 0 1 1 9 5 1 3 5 1 2 6 8 3 O 1 1 1 8 1 2 1 1 5 6 5 0 1 1 1 7 O 0 91 3 0 8 7 0 8 9 6 1 0 0 0 81 6 0 7 3 0 7 9 2 2 O O 0 63 2 0 4 6 0 6 25 由表 1可见 按式 1 1 的计算值 比较合适 4 结语 1 三种工程界常用的 L N G储罐地震作用计 算模型都有各 自的优缺点 因此 在进行 L N G储 罐的地震作用计算时 可根据计算 内容的不同来 选择相应的计算模型 比如 在项 目的初 始阶段 进行方案论 证及确定基础 方案时 可用集 中质量 法计算模 型 在详 细设 计阶段进 行底板 的配筋设 计时 可用附加质量法或液固耦合法计算模型 2 由于 L N G储罐对地震的安全度要求非 常 高 因此 在进行 L N G储罐的地震作用计算时 各参数的选取要尽可能准确 计算模型的简化要 1 A P I 6 5 0 2 0 0 9 We l d e d S t e e l T a n k s f o r O i l S t o r a g e s 2 EN 1 99 8 4 2 0 0 6 De s i g n o f s t r u c t u r e s f o r e a r t h q u a k e r e s i s t a n c e P a n 4 S i l o s T a n k s a n d P i p e l i n e s s 3 S u d h i r K J a i n O R J a i s wa l Mo d i fied p r o p o s ed p r o v i s i o n s for a s e i s mi c d e s i gn o f l i qu i d s t o r a g e t a n k s P a r t I e o da l p rov i s i o n s J o u r nal o f S t r u c t u r a l En g i n e e rin g Vo 1 3 2 No 3 Au g u s t S e p t e mb e r 2 0 0 5 P P 1 9 5 2 0 6 4 0 R J a i s wal S u d h i r K J a i n Mo d i f i ed p rop o s e d p rev i s i o n s for a s e i s mi c d e s i gn o f l i q u i d s t o r a g e t ank s P a r t I I c o mme n t a r y and e x a mp l e s J o u r n al o f S t r u c t u r a l E n gi n e e r i n g V o 1 3 2 N o 4 Oc t o b e r No v e mb e r 2 0 0 5 P P 2 9 7 3 1 0 5 B y e o n g Mo o J I N S e J i n J EON Ea h q u a k e R e s p o n s e An aly s i s o f L NG S t o r a g e Ta n k b y Ax i s y mme t r i c F i n i t e El e me n t Mo d e l an d C o mp a r i s o n t o t h e Re s u l t s o f t h e S i mp l e Mo d e l 1 3 t h W o r l d C o n f e ren c e o n E a r t h q u a k e E n gin e e r i n g P a p e r N 3 9 4 6 NF P A 5 9A 一2 0 0 6 S t a n d a r d for t h e P r o d u c t i o n S t o r a g e an d H a n d l i n g o f L i q u e fi e d N a t u r a l G a s L N G S 7 EN 1 4 62 0 2 0 0 6 De s i gn a n d ma n u f a c t u r e o f s i t e b u i l t v e r t i c al c y l i n d r i c a l fia t b o t t o me d s t e e l tan k s for t h e s t o r a g e o f re f rig e rat ed l i qu e fi e d g a s e s wi t h o pe rati n g t e mpe rat u r e s b e t we e n O and 1 6 5 S 8 G B 5 0 0 1 1 2 0 1 0 建筑抗震设计规范 s 9 E N 1 9 9 8 1 2 0 0 4 De s i