立式储罐环墙滚动隔震体系地震响应数值仿真分析

李 想，孙建刚，崔利富，王 振，刘伟兵，杨海光

(1. 大连民族大学 土木工程学院，辽宁 大连116605;2.大庆油田有限责任公司 第二采油厂，黑龙江 大庆163000)

立式储罐由于存贮易爆、易燃、有毒介质，一旦发生地震灾害，容易诱发火灾和环境污染等次生灾害，甚至威胁到人的生命和财产安全。基础隔震技术是降低储罐地震响应比较成熟的方法。目前关于隔震储罐的研究大多采用单一隔震装置［1-7］，虽能有效降低储罐的地震响应，但不能有效控制储罐基础的不均匀沉降。文献［8］将滚动隔震［9］和砂垫层隔震［10］并联到一起，提出了一种新型的环墙滚动隔震支撑与砂垫层组合的隔震基础，该新型隔震装置在地震荷载作用下环墙滚动和砂垫层共同作用，起到具有隔震减震的效果，支撑由上下滚动环墙、砂垫层和垫板构成，可以起到调整储罐中心点沉降和不均匀沉降的作用。本文在文献［8］的基础上，将环墙滚动隔震基础应用于15 ×104m3大型立式储罐如图1，应用ADINA 有限元数值仿真程序，建立环墙滚动隔震储罐的有限元分析模型，对水平地震激励作用下环墙滚动隔震储罐进行减震效应分析。

图1 环梁滚动隔震储罐

1 有限元模型建立

1.1 储罐参数

以15 ×104m3立式储罐为研究对象，储罐半径为50 m，总高度为21.7 m，储液高度为20.1 m，罐壁沿高度方向共分8 层，每层厚度和高度见表1。

表1 15 ×104 m3 立式储罐罐壁高度和厚度

材料属性:罐壁钢材密度7800 kg·m-3，弹性模量2.1 ×1011N·m-2，泊松比0.3，屈服强度3.7×108N·m-2。设计安全考虑，储罐内液体密度取为1000 kg·m-3。

1.2 环墙滚动隔震装置参数

初步设计隔震上下环墙直径同为100.65 m，截面尺寸为650 mm ×1700 mm，钢球直径0.325 m，垫板直径99.35 m，高度0.12 m。

材料属性:钢板密度为7800 kg·m-3，弹性模量2.1×1011N·m-2，泊松比0.3，屈服强度3.7 ×108N·m-2。环墙和垫板均为钢筋混凝土材料，密度2500 kg·m-3，弹性模量2 ×1010N·m-2，泊松比0.3。砂垫层为中砂，基本参数见表2。

取环墙滚动隔震周期T=2s，阻尼比ξ=0.1，按式(1)和式(2)计算出线弹簧总刚度和总阻尼，然后平均分配到上下环墙所对应的线弹簧上，为简化计算考虑竖向弹簧单元刚度无穷大，阻尼为0，具体参数详见表3。

表2 中砂参数表

表3 线弹簧刚度系数K 和阻尼系数C

1.3 单元选取及有限元模型建立

环墙和垫板采用八节点3 -D 实体单元;砂垫层如图2，采用摩尔库伦单元;钢球如图3，假定成带有高度的线弹簧单元。储罐罐壁采用4 节点壳单元来模拟;液体采用三维势流体单元。有限元模型如图4。

图2 摩尔库伦单元模型

图3 线弹簧单元模型

图4 隔震储罐有限元模型

2 地震波选取

采用El -centro 波作为输入地震波，加速度峰值为1.96 m·s-2，加速度时程如图5。

图5 El-centro 地震波加速度时程曲线

3 水平地震激励下环墙滚动隔震储罐减震效应分析

3.1 罐壁加速度和动液压力分析

图6 沿罐壁高度加速度峰值分布

由图6 可知非隔震储罐沿罐壁高度方向加速度峰值逐渐放大，且峰值加速度为19.5 m·s-2，较输入的地震波峰值相比放大了9.94 倍。从图中可以看出环墙滚动隔震储罐与非隔震储罐相比加速度峰值明显降低，减震效果明显。

图7 沿罐壁高度动液压力峰值分布

从图7 可知非隔震储罐的动液压力峰值沿液体高度方向先增大而后减小，液体在4.32 m 处非隔震储罐动液压力达到峰值83.81 KPa;从图中可以明显看出环墙滚动隔震储罐与非隔震储罐相比动液压力明显降低，峰值为60.97 KPa，减震率为27.25 %。

3.2 罐壁应力分析

图8 和图9 为环墙滚动隔震储罐与非隔震储罐环向应力和轴向应力沿罐壁高度的分布。

图8 环向应力峰值沿罐壁高度分布

图9 轴向应力峰值沿罐壁高度分布

从图8 可以看出非隔震储罐在3 m-15 m 范围内储罐罐壁的环向应力很大，环墙滚动隔震储罐地震能量主要由隔震装置吸收所以罐壁环向应力有所降低;从图9 可以看出隔震储罐和非隔震储罐轴向应力呈现下部大上部小的特点。在储罐底部的位置出现轴向应力的峰值，非隔震储罐轴向应力峰值为90 MPa，隔震后39.9 MPa，降低了55.7 %。

3.3 基底剪力和基底弯矩分析

图10 和图11 给出了非隔震储罐与环墙滚动隔震储罐在地震作用下的基底剪力和基底弯矩时程曲线。

图10 基底剪力时程曲线

图11 基底弯矩时程曲线

从图10 和图11 可以看出:非隔震储罐基底剪力与基底弯矩峰值均发生在2.24 s，环墙隔震储罐基底剪力与基底弯矩峰值发生在2.42 s，这表明隔震可以使储罐的基底剪力与基底弯矩峰值略有滞后。对比非隔震储罐与环墙滚动隔震储罐基底剪力与基底弯矩可得基底剪力减震率为34.69 %，基底弯矩减震率为28.94 %，减震效果较为明显。

4 结 论

本文将环墙滚动隔震基础应用于15 ×104m3大型立式储罐，应用ADINA 有限元数值仿真程序，建立环墙滚动隔震储罐的有限元分析模型，对水平地震激励作用下环墙滚动隔震储罐进行减震效应分析，得出以下结论:

(1)环墙滚动隔震基础不但可以调整储罐中心点沉降和不均匀沉降，同时具有降低储罐地震响应的作用。

(2)采取环墙滚动隔震基础后，罐壁环向应力和轴向应力有所降低，罐壁设计时可以在满足承载力和变形要求的条件下，将罐壁厚度减薄;基底剪力和倾覆力矩减震效应明显，基础设计时可以在满足承载力和沉降要求的条件下，节省材料，降低造价。

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