立式储罐与地基相互作用地震反应分析

立式储罐与地基相互作用地震反应分析
摘要:针对地基与储罐之间的相互作用，利用有限单元方法求解了储罐在水
平地震作用下的响应。

给出了结构体系的刚性矩和质量矩的求解方法。

在四个不
同的现场环境下，进行了不同的地震反应，得到了不同的油藏参数对其地震反应
的作用。

结果显示，不同的地震作用对储罐体系的响应存在差异；地基刚性对结
构的动态反应有较大的作用：地基结构愈“柔”，则地基弯矩及罐壁轴向应力愈低，而底面的轴向应力愈大，而底面的变形愈大。

关键词:储罐;地震反应;相互作用;有限元
引言
立式油罐在石化、石化等工业领域得到了广泛的应用，但是它的抗震问题至
今尚未得到很好的解决。

在以往的几次大地震中，储罐遭受了严重的损坏，有些
甚至出现了火灾等次生灾害。

所以，罐体抗震研究一-直受到了国内外普遍的关注，其抗震性能与自身的安全和震后周边环境密切相关。

过去的理论和试验都是
将其作为多个自由度的悬臂梁进行仿真，没有考虑到地基的影响，但在许多情况下，这与实际的工程并不一致。

由于该油罐是一种具有空间性质的薄壁结构，因
此其复杂性很大，因此，至今尚未有关于其对其动态性能的影响的研究。

在过去
的几个简单易行模型中，都是忽视了内壁的弹塑性，这种模型在三四十年代被广
泛应用。

1957年 Housner首先给出了一个“质点-弹性”的概念，之后的许多理
论都是基于霍斯纳的理论进行了完善。

目前，国内的标准中所使用的标准为Haroun-Housner耦合振动模式（1983)，其中包括对流分量、柔性脉动分量（随着容器的移动）以及刚性脉动分量（随着
地表移动），而在此地基上，由于简化的模式无法更好地描述其动态性能。

在数
值计算中， Liu利用 FLUHTR软件对一个刚性油缸进行了非线性有限元计算。

Auli等运用有限单元方法，研究了地基的非线性对油罐底部抽油和油缸的稳定作
用。

美国麻省理工大学 Nash教授及其弟子所设计的 EXDOMTANK软件对油缸的抗
震反应进行了研究。

一、计算模型与有限元求解方法
本文所提出的计算方法能够进行油罐的地震反应时间过程分析，但未将油罐
与土层的相互作用、地基弹性变形等因素考虑在内，而将油罐底部视为刚性固定。

以上所述的数值模拟分析，或直接或间接地使用梁式模态假设，将三维问题简化
为一维问题，或只考虑了贮罐体上部结构，忽略了与土体的交互作用，这与实际
情况是不相符的。

在考虑地基和上部结构的相互作用时，地震灾害是指由于土的
液化不稳定和较大的沉降而引起的底部屈曲。

因此，在油罐的地震反应分析中，
地基-上部结构的相互作用是非常有意义的。

该系统假设为垂直圆形容器，其直径为 R，其中装有液体，其高度为 H，重
量密度为 p。

油罐直接漂浮在有 T厚度的基础上，在水平方向上受到水平方向的
影响，其水平方向的作用力会引起油罐的弹性底板的局部上移，造成罐壁的摇摆，油罐和液体的各个点是根据柱子的座标来确定的，其坐标原点是在液面的正中心处，采用有限元方法，将箱底和罐壁离散成一个壳体，而容器内的液体则是离散的。

研究了壳体和液体的耦合，四个结点离散的基础单元。

二、储罐与地震波的选取
2.1储罐的选取
该储罐的主要性能指标包括：管径 D=14.5 m、高度 H=12.69 m、液高度 H、11.49 m、弹性模量 E=2.1x10'MPa、屈服应力 r=215 MPa、泊松比率 v=0.3、容
器密度 p=7.8x103kg/m、液体浓度 p=1.0x10* kg/m、容器壁厚7 mm、底面厚6 mm。

储罐的总重为19371.36 kN。

2.2地震动波的选取
针对储罐体系在地震中的动态特征和各种地震动对其动态反应的影响，选择
四类地震波型：帕斯-德纳波型和埃尔森特罗型；金门公园的地震波，外交宿舍
的波。

两次地震波峰的加速度都是0.4 g。

在此基础上，采用Pasade-na波段14
至19秒钟的5秒钟的震波，以 ElCentro波头5秒钟的震波，从金门园区24至30秒钟的6秒钟的震波，从金门园区开始的8秒钟的震波，并根据现场的不同情况，对不同的地点地面运动进行了分析。

三、数值分析
3.1不同场地条件地震响应分析
在此地基上，提出了一种更精确、更有效的分析方法，以求更全面、更具针对性的方式，以求对各主要参量的影响。

本文主要内容如下：1）考虑了储罐与
地基、油水与油水的相互作用，利用有限元分析了储罐受横向振动时的反应；(2)得到了在水平地震下储罐的准确解；(3)对储罐与地基的相互作用系统进行了计算，得到了其主要反应和主要影响因子。

对于四种不同的场地震波，其地面振动的最大加速度都是0.4 g，而强度是分区，研究了各种地动条件下油库的抗震性能，虽然地震波具有同样的加速度，但在不同的场地情况下，油罐的地震反应有很大差异。

3.2地面运动强度的影响
在强度为X度、度和Ⅲ度（对应于0.4克、0.2克、0.1克）的情况下，输
人埃尔森特罗地震波的地震反应进行了研究。

可以看到，地基弯矩值、壁面轴向应力、罐壁环向压力、液-固偶点处加速峰的增大幅度稍大于地表移动的幅度，
表明了这种反应对地表移动的影响是非常灵敏的。

3.3地基刚度的影响
基础弹性系数愈低，则愈软弱。

在油库中，不仅要考虑到结构的几何、材质等因素，还要考虑到基础的因素，随着基础刚性的降低，最大承载能力下降，而罐壁环向应力和最大水平抬升则随着基础刚性的降低而增加。

在此基础上，由于罐壁环向和底部的位移对基础的刚性影响很大，而基础弯矩对基础的影响不大。

结论
(1)在分析油库与基础、油库与油库的相互作用的基础上，应用有限元分析技术对油库进行了横向振动分析，并提出了相应的数值计算程序。

(2)对油库的抗震响应进行了研究，结果显示：在各种场地情况下，油库的地震响应存在着显著差异；在同样的震波下，地基的受力、罐壁的轴向应力、罐壁环向应力、液-固耦合的加速度峰均有显著的影响。

(3)因进行了油罐的抽吸，使油缸内的轴向压力和周向应力显著增大。

基础刚性对结构的动态反应有较大的作用：基础愈“柔”，则基础弯矩愈大，则筒壁面的轴向应力愈低，而内圈的压力愈大，则愈有愈大之愈严重。

参考文献
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