水平和竖向地震激励下大型储液罐响应分析

水平和竖向地震激励下大型储液罐响应分析
陈贵清;刘望峰;赵晓波;梁乐杰
【摘要】基于ANSYS软件建立了100km3锚固型大型储液罐模型,并对此进行了水平和竖向地震激励下的地震响应分析,地震波为EL-CENTRO波。

计算结果表明,锚固型大型储液罐内液体的晃动、应力和应变在水平地震激励下比竖向地震激励下大很多,这说明水平地震激励是影响储液罐力学性状的主要因素之一。

储液罐的应力和应变峰值发生在罐的中下部,而罐口变形较大。

%The finite element model of the 1×105 m3 anchored liquid-storage tank was set up based on ANASYS.The response of the tank in horizontal and vertical seismic excitation were analyzed,and the exciting seismic wave was EL-CENTRO wave.The results show that the sloshing of the liquid in the liquid-storage under horizontal seismic excitation is more wildly than that under vertical seismic excitation,and also the stress and strain under horizontal seismic excitation are greater than that under vertical seismic excitation.The result shows that the horizontal seismic excitation is one main factor that affects the mechanical properties of the liquid storage tank when earthquake happened.The peak values of the stress and the strain occurs at the middle or lower parts of the liquid storage tank,and deformation at port of the liquid storage tank is bigger than anywhere else.
【期刊名称】《唐山学院学报》
【年(卷),期】2012(025)006
【总页数】4页(P33-36)
【关键词】大型储液罐;液体晃动;地震激励;应力;应变
【作者】陈贵清;刘望峰;赵晓波;梁乐杰
【作者单位】唐山学院,河北唐山063000;河北联合大学,河北唐山063000;河北联
合大学,河北唐山063000;河北联合大学,河北唐山063000
【正文语种】中文
【中图分类】O353
大型储液罐作为能源储运系统的重要组成部分，是能源利用、再生产和供给的重要设施。

由于它储存的多为易燃易爆介质，一旦发生破坏，大量介质外泄和燃烧，不仅会造成严重的经济损失和危及工作人员的生命安全，还可能导致毁灭性的次生灾害。

1964年3月，美国阿拉斯加地震中某储藏区的4个罐区有3个着火，有的还引起爆炸；同年6月，日本新泻地震中储液罐破坏后发生的大火持续了两周，烧
毁油罐84座，造成了严重的经济损失和空气污染[1]。

近年来，一些科研工作者对此领域进行了一些初步的研究，取得了一些成果[2－5]。

但由于问题的复杂性，比如罐体属于超大型空间薄壁结构，地震时罐体与液体之间的相互作用属于典型的流固耦合振动问题，许多问题发生的机理还未搞清楚，因此有必要对此领域继续开展深入的研究。

本文利用ANSYS软件模拟了10万m3大
型锚固储液罐在水平地震激励和竖向地震激励下的响应，并加以比较和分析，所得结论可以为工程设计提供有益的参考。

1 储液罐ANSYS模型建立
根据储液罐壁薄的特点，在ANSYS中选择具有4个节点，每个节点有6个自由度的SHELL181单元建立罐壁模型。

在动力荷载下，允许单元有横向剪切变形和伸
展，因而厚度设置为固定的单元参数。

罐内液体采用基于Housner模型[2－3]简化的三维液体单元FLUID80，此单元是三维结构单元SOLID45修改后的单元，适合模拟容器中没有静流速的流体，还非常适合计算静水压力下的流固界面加速度的影响（比如晃动问题）。

选取的储液罐模型直径为80m，高24m，罐内液体高度20m。

由于模型较大，计算时间长，所以网格划分相对较粗。

罐壁厚度采用变厚度（自下而上），0～
9m为32mm，9～18m为18mm，18～24m为12mm。

罐壁材料采用
490MPa级高强度钢材，考虑材料的非线性，采用双线性随动强化模型，弹性模量为2．1×1011 N／m2，屈服强度为4．9×108 N／m2，切线模量为
2．06×109 N／m2，罐内液体为水（常温），密度为1 000kg／m3，弹性模量 2．04×109N／m2，粘滞系数为0．001 13Ns／m。

2 储液罐的模态分析
图1表示罐内液体晃动的前两阶振型，频率分别是0．126 7Hz和0．127 3Hz，这是罐的梁式振型，并且是罐的主要振型。

图2表示的是罐液耦合晃动的前两阶振型，频率分别是0．572 809Hz和0．586 353Hz。

储罐的梁式振型在地震作用下容易被激发，对储罐的抗震性能起主要作用；储罐的罐液耦合晃动产生了“多波效应”，其能量主要集中在变形上，流体自由液面波动较小，最大的变形出现在罐壁的上沿。

图1 罐内液体晃动的前两阶振型
图2 罐液耦合晃动的前两阶振型
3 罐内液体晃动分析
输入的地震波为南北向和竖向EL．CENTRO波，时间间隔为0．02s，持续时间为10s。

水平地震波加速度最大峰值为3．14m／s2，出现在第2．14s。

竖向地震波加速度最大峰值为2．063m／s2，出现在第1s。

由计算得到罐内左右节点处（左右罐壁与液面的交点）液面高度变化时程曲线如图3，4所示。

图3给出了水平地震激励下罐内液面变化时程曲线，其中上侧虚线表示左侧液面节点的竖向位移，下面实线表示右侧液面节点的竖向位移。

图4给出了竖向地震激励下罐内液面变化时程曲线，由于左右侧液面节点的竖向位移相同，图4表示的是左侧液面节点的竖向位移。

由图3，4中可以看出水平地震激励下罐内液体波动高度明显高于竖向地震下液体波动高度，水平地震激励下液体最大波动高度为100cm左右，竖向地震激励下液体最大波动高度为1．5cm左右，差了60多倍，这说明水平地震激励对罐内液体波动影响较大。

4 罐壁塑性区域计算分析
图5给出了水平地震激励下2．14s时罐的Mises应力云图，图6给出了竖向地震激励下1s时罐的Mises应力云图。

可以看出Mises应力的极大值都出现在罐壁中下部，并且水平地震激励下的极大值大（0．362×108 Pa）于竖向地震罐壁的Mises应力云图（俯视和正视）
图3 水平地震激励下左右节点液面高度变化时程曲线
图4 竖向地震激励下左节点液面高度变化时程曲线
图5 水平地震激励下2．14s时罐壁的Mises应力云图（俯视和正视）
图6 竖向地震激励下1s时
激励的极大值（0．217×108 Pa）。

由计算得知，两种情况下都未进入塑性屈服状态，罐口处的Mises应力很小。

随着时间的进程，整个罐壁发生了倾斜，罐壁倾斜于受压一侧，且受压一侧罐壁的中下部Mises应力比较大，并且Mises应力的极大值连成了一个沿罐壁的环向应力集中带，这个集中带甚至贯穿了整个圆周；罐壁下部有向外鼓的形状，罐口处发生了变形，这从水平地震激励下应力云图可以看得很明显。

5 罐壁纵向压应变计算分析
图7给出了水平地震激励下2．14s时罐的纵向压应变云图，图8给出了竖向地震激励下1s时罐的纵向压应变云图。

从图中可以看出应变峰值变化趋势，都是发生在罐的中下部，但是水平地震激励下的应变（0．172×10－3）比竖向地震激励下的应变（0．99×10－4）大得多。

图7 水平地震激励下2．14 s时罐壁的纵向压应变云图（俯视和正视）
6 结语
本文建立了大型储液罐的有限元模型，并采用了时程分析方法计算了该储液罐在水平地震激励和竖向地震激励下的地震响应，主要结论有：
储罐的梁式振型在地震作用下容易被激发，对储罐的抗震性能起主要作用；储罐的罐液耦合晃动产生了“多波效应”，流体自由液面波动较小。

大型锚固储液罐内的液体晃动在水平地震激励下比竖向地震激励下大很多。

罐的应力和应变峰值出现在罐的中下部，并产生了突出变形，这部分易进入屈服阶段，建议对这部分进行失稳验算。

并且水平地震激励下应力和应变比竖向地震激励下的大，说明水平地震激励对罐体的影响很大。

罐口处变形较大，需采取措施，以防止破坏。

图8 竖向地震激励下1 s时罐壁的纵向压应变云图（俯视和正视）
【相关文献】
[1] 陈贵清，邢金瑞．储液罐的抗震研究史[J]．科技信息，2009（33）：28－30．
[2] Hamdan F H．Seismic behavior of cylindrical steel liquid storage tanks[J]．Journal of Constructional Steel Research，2000，553（12）：307－333．
[3] 李文刚，金玉姬，高锐．水平地震激励下储罐液体晃动分析[J]．自然灾害报，2007，16（2）：138－142．
[4] 范喜哲，郑天心，王伟．地震作用下立式储液罐罐壁“象足”变形仿真分析[J]．地震工程与工
程振动，2007，27（3）：104－109．
[5] 陈贵清，杨雪梅．超大型储液罐流固耦合振动分析[J]．唐山学院学报，2011，24（3）：5－8．。