贮液结构地震反应数值分析及应用方法研究

胡明祎

（中国地震局工程力学研究所，哈尔滨150080）

贮液结构地震反应数值分析及应用方法研究

胡明祎

（中国地震局工程力学研究所，哈尔滨150080）

贮液结构是一种极为重要的构筑物，与人民群众日常生产和生活息息相关。随着贮液不同，贮液结构广泛应用于生命线工程和能源与化工领域，如水塔、水箱、储油罐、储酸罐、消化池、降温池、冷凝器等，其结构形式也多种多样，包括半地下式、立式、卧式、支承式等。

由于存在液固耦合作用，这种结构动力响应极为复杂，尤其是强地震动作用下，引起的震害现象千差万别。历次震害表明，高烈度区大量贮液结构受到破坏，如浮放支座移位、支承结构移位、基底开裂、结构壁断裂等等，这些地震灾害直接导致贮液结构损坏，其原有功能丧失，生产和生活被迫中断，造成极大的经济损失。

此外，贮液结构内部的贮液有时也是极大危险源，贮液结构受到破坏后，容易引起贮液泄露，进而引发火灾、环境污染等次生灾害。2011年3月11日日本东海岸发生9.0级地震，地震和随后的海啸造成福岛核电站中的贮液结构系统受损，致使降温系统失去功能，引发了重大核泄漏事故。

从20世纪30年代开始，大批学者针对贮液结构地震反应进行了相关研究，其中包括建立理论分析模型、液固耦合作用效应、简化方法工程应用、地震反应规律分析、抗震设计方法和数值分析技术等等。但是从工程应用角度，贮液结构地震反应仍然有很多课题值得去研究，包括有限元建模方法、非线性算法、地震反应规律分析、工程抗震分析应用方法、优化设计等等。

本文基于此背景，针对贮液结构地震反应及相关数值分析方法进行了研究，主要工作和取得的成果如下：

（1）阐述了贮液结构解析解难点是求解给定边界条件和初始条件下Laplace方程，弹性边壁解析解和Housner简化计算均是建立在脉冲压力和对流压力理论假设基础上的；Haroun-Housner模型和FE数值模型分别是建立在Housner刚性壁理论和速度势理论基础上的。本文对4种方法进行了对比，指出了FE数值模型的可靠性。

（2）基于经典的N-R数值迭代理论，提出改进的N-R算法，考虑切线刚度和法线刚度共同协作的方式，增加单步迭代步长，提高非线性数值迭代求解效率；基于改进的N-R算法，提出超N-R算法，建立数值迭代和材料本构之间的关联性，进一步提高非线性数值迭代求解效率，并通过大量试算给出对于钢材，比例系数较为稳定的取值范围在1.46左右；并针对贮液结构非线性数值分析方法，提出采用外挂式开发模式和生死单元技术相结合的方法进行数值模拟。通过实例，验证该方法的可行性和有效性。

（3）利用APDL语言成功实现了在ANSYS平台上，建立了外挂模式的二次开发方法；已部分开发完毕建立在ANSYS平台上的贮液结构地震反应分析软件程序，可以通过对相关子程序进行应用说明和推广，使工程技术人员直接进行应用分析和设计；提出针对大型的复杂的FE模型进行三维梯度网格优化划分方法，以提高网格划分质量；提出编制针对FE结构信息存储、读取、批处理等程序，利用波前法技术，实现通过刚度矩阵修改等多种方法进行数据存储量和计算量的压缩，以提高FE分析的高效性和实用性。

（4）对贮液结构FE分析模型的有效性、基于模态影响下控制网格划分技术、ATOS转换程序的开发、基于圣维南原理的子模型方法等多个方面进行了说明；对贮液结构基本地震反应规律进行了计算，获取了基本频率、地震动输入、壁厚、贮液量、跨高比等因素的影响规律，并研究了贮液结构弹性变形对液动压力、结构有效应力、基底弯矩、基底剪力等的影响。

（5）基于贮液结构地震反应规律研究，针对常规立式贮液结构“象足”效应等，利用FE数值分析和插值理论相结合的方式，编制了样条插值分析和拟合程序，提出对“象足”位置进行快速确定的函数形式，给出了函数中系数取值参照表。利用这种方式，可以实现快速确定“象足”位置。据此，可以一定程度上针对“象足”效应进行高效的抗震设计应用。

（6）基于ESO形状拓扑理论，针对贮液结构轮廓形状优化设计，提出将单元非连续性分类判别方式引入到ESO理论中，可以有效解决为提高效率而增加删除率时引起的结构刚度矩阵奇异、拓扑过程不连续问题。

（7）首次将智能优化算法引入到贮液结构抗震优化设计中，提出将ACO方法和子结构方法进行互相嵌入使用，通过该方法可以有效减少大规模数值问题的计算量；基于PSO算法和DE算法，提出了PSO-DE联合优化方法对贮液结构进行参数优化计算方法，通过飞行、变异、交叉以提高优化算法效率，扩大了全局搜索范围，避免计算过早陷入局优，并加速了迭代收敛的速度。

贮液结构；地震反应；数值分析方法；N-R算法；优化

（作者电子信箱，胡明祎：humingyi＠ceedi.cn）

TU352.1；

A；

10.3969／j.issn.0235-4975.2013.04.014