位移谐波激励下拱顶锚固储罐的动力响应分析
大型石油储罐的风载荷响应分析
宫建国， 刘迎圆。 蒋 力， 曾 胜。 金 涛
（ 浙 江 大学 化 工机 械研 究 所 ， 浙江 杭州
３ １ ０ ０ ２ ７ ）
摘 要： 主 要研 究 了大 型石 油储 罐在 风载 荷 作用 下 的 响应 。 首先 ， 介 绍 了风 载 荷 分 析 时用 到 的风 压 模型 ， 并建 立 了储 罐 的有 限元模 型 ； 然后， 对 储 罐进 行 了模 态分 析 ； 最后 ， 分 别 计 算 了储 罐在 静 态风 压 和 动态风 压模 型下 的响 应。 结果 表 明 ： 储 罐 的模 态呈 多波分 布 ， 该 振 动 为储罐 周 向振 动和 竖 向振 动 的叠加 。在 静态风 压 模 型下 ， 储 罐 的最 大位 移发 生在 靠近 储 罐罐 顶 的罐壁 某处 ； 最大 应力 发 生在 罐 壁 与地板 的连 接处 。在 动态风 压模 型下 ， 动 态响 应 的峰值 （ 如 位 移 和 应力 峰 值 ） 延 迟 于 风 载荷 峰
ｊ ｏ ｉ ｎ ｔ ｂ ｅ ｔ ｗ ｅ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｂ ｏ ｔ ｔ ｏ ｍ ｐ ｌ ａ ｔ ｅ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｔ ａ ｎ ｋ ｗ ｌ ａ １ ． Ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｔ ａ ｎ ｋ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅ ｄ ｙ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｗ ｉ ｎ ｄ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ， ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｉ ｓ ａ
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立式锚固储液罐与地基相互作用地震反应分析
关 键 词 ：集 总 参 数 模 型 ；地 震 反 应 ；储 液 罐 ； 土 一 结 构 相 互 作 用
立式储 液罐广泛应用于工业工程及市 政工程 ，其
抗震问题迄今没有很好解决 ，影响储 液罐 地震 响应 的 因素较多 ，为研究这类问题 ，通常需要 进行一定 的简
储 液动 力相 互作 用分析 模 型 。对 ４种 规格 储 液罐在 不 同基 地 土条件 下进 行地震 反 应分析 ，结果表 明 ，土一结构 动 力相互 作 用对储 液罐 的基 底 剪 力及 倾覆 力矩有较 大的影 响 。地 基 土越硬 ，储 液罐 的基底 剪 力及 倾覆 力矩 也越 大 ；当储 液体 积 增 大 时，储 液罐 的基 底 剪 力及 倾 覆 力矩 也 随之 增 大，
地 震 反应 分析 。
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建筑结构动力响应分析与振动控制技术研究
建筑结构动力响应分析与振动控制技术研究
摘要：本文围绕建筑结构动力响应分析与振动控制技术展开研究，系统性地介绍了动力学基础、振动控制技术和实例分析。首先，通过对动力学基础的探讨，深入理解了建筑结构在外部激励下的振动特性。其次，对主动、被动和半主动振动控制技术进行了详细介绍，包括工作原理、优缺点以及应用范围。最后，结合实验室试验、仿真模拟和实际工程应用案例，分析了不同振动控制技术在实际工程中的应用效果。本文旨在为提高建筑结构的安全性、舒适性和耐久性提供理论指导和技术支持。
关键词：建筑结构；动力响应分析；振动控制技术 引言 建筑结构的动态响应与振动控制技术一直是结构工程领域的热点研究方向。随着城市化进程和人们对建筑结构安全性和舒适性要求的提高，对建筑结构振动特性及其控制技术的研究变得日益重要。本文旨在探讨建筑结构动力响应分析的基础理论，介绍不同的振动控制技术，并结合实例分析与案例研究，深入探讨这些技术在实际工程中的应用。通过对建筑结构动力学基础、振动控制技术和实际应用的综合讨论，旨在为提高建筑结构的安全性、舒适性和可靠性提供理论和技术支持。
一、建筑结构动力响应分析 （一）动力学基础 建筑结构的动力学基础是理解结构在外部力作用下的运动规律的基础。在动力学中，质点和刚体的运动通过牛顿力学进行描述，而对于弹性体的运动则需要结合弹性力学的原理。建筑结构作为一种复杂的弹性体，其动态响应受到结构的刚度、阻尼、质量以及外部激励等因素的综合影响。动力学基础涵盖了质点和刚体的运动规律、弹性体的振动方程以及动力学参数的定义，这些理论基础为进一步进行建筑结构动力响应分析提供了必要的基础。深入理解动力学基础可以帮助工程师更好地预测和控制建筑结构的动态行为，从而提高结构的安全性和可靠性。
（二）动力响应分析方法 建筑结构的动力响应分析方法涵盖了时程分析法、频谱分析法和模态分析法三种主要方法。时程分析法基于结构受到的时间历程载荷，通过数值积分求解结构的动态响应，能够准确模拟结构在不同时间段内的振动情况，适用于复杂加载条件下的分析。频谱分析法将激励信号和结构响应转换到频域进行分析，常用的方法包括傅立叶变换和功率谱密度分析，能够揭示结构在不同频率下的振动特性，适用于频率域的振动分析。模态分析法将结构的振型分解为基本振型，通过模态参数求解结构的响应，能够较为简化地描述结构的动态响应行为，适用于大型结构的简化分析。这些方法各有特点，可根据结构的特性、分析的要求和可获得的数据选择合适的分析方法，以全面、准确地评估建筑结构的动态响应。
大跨度穹顶洞室围岩动力响应分析
大跨度穹顶洞室围岩动力响应分析地下防护工程的建设中，除需考虑围岩压力下的静力问题外，还要考虑爆炸冲击荷载作用下的动态问题，涉及到爆炸力学、结构动力学等多门学科，因此比一般的静力问题要复杂的多。
以往研究的洞室形态多为圆形巷道、矩形巷道和直墙拱巷道，对于地下储油库常用的穹顶结构洞室在动荷载作用下的稳定性分析和加固问题涉及不多。
地下油库同其他大型地下洞室一样，具有边墙高、跨度大、结构复杂等特点，目前对围岩我国还没有大型离壁、贴壁式被覆立式油罐地下石油洞库工程，其他建设集中在水电、铁路建设方面，但并没有考虑冲击荷载作用。
本文利用有限元软件LS-DYNA对地下穹顶洞室在爆炸荷载下的动力响应进行分析研究。
1 数值分析模型某穹顶洞室的覆盖层厚度（洞室埋深）为40m，跨度为20m，墙高为20m（高跨比1∶1），穹顶矢高为3.33m（矢跨比1∶6），围岩等级为Ⅲ级。
为真实反映洞室的受力变形状态，首先在动力分析之前对洞室围岩模型进行初始自重应力场分析，然后在此基础上施加爆炸荷载进行动力分析。
图1为穹顶洞室示意图，图2为穹顶洞室围岩介质中的波传播问题的计算模型。
由于穹顶洞室的旋转对称性，可将其简化为轴对称应变问题，过洞室轴线取任一剖面，建立洞室结构的二维平面模型。
模型的侧向与底部边界距离取5倍洞室最大尺寸，可避免人工边界的反射，水平方向和垂直方向的长度分别为150m和180m。
计算模型采用单点积分的四节点平面实体单元进行离散，经过网格敏感性分析，单元大小为0.25m×0.25m，整个模型共划分单元*****个。
模型的左右边界上的元件表示水平方向约束，模型底部边界上的元件从右至左分别表示垂直方向约束和透射边界。
通过设置透射边界可使入射到边界的应力波“透射”过去，不至于在边界上发生反射，从而对模型内部的应力应变产生影响。
标志（1）表示仅在计算初始自重应力场时采用，标志（2）表示该元件仅在后续动力计算时采用，标志（1，2）表示该元件在初始自重应力场计算和动力计算时都采用。
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。
生产储油平台储罐液体晃动分析_屈博志
3.2 液体晃动冲击压强分析
方面，要把每个时间点上壳体单元各个节点
通过选取了水平振幅 50cm，垂直振幅
的 3 自由度位移，实时地传递给储槽中液体 1cm，对满罐工况条件下不同周期激励源激励
边界处各个节点的 3 自由度位移，就可以计 状态下的罐内液体运动模式进行了有限元瞬
算在外载荷作用下液体的晃动位移、速度等 态动力学分析，取得了罐壁冲击压强变化指
刷和槽壁适当接触，同时清洗装置随刮泥机 面水经滤网后由潜水泵加压，单向阀在水的
一起行走，完成清洗功能。槽壁清洗不净的原 压力作用下关闭，带有一定压力的水在喷嘴
图 5 瞬态动力学计算结果（Pmax=1460.52Pa）
2）x =50cm, y =1cm 激 励 周期 9s
根据晃动冲击压强数值显 示，最大值 Pmax=1477.67Pa；无 自重的液体晃动所产生的对罐 侧壁的液动冲击压强，占储罐 整体结构应力的极小部分。
转刷等部件，节约维修费用。该冲洗装置 2-3
天运行一次即可获得满意效果，冲洗过程没
死角，不需人工定期刷洗，可降低运行费用，
又可减轻劳动强度。
4 结语
四个多月的运行情况表明，水幕式集水
图2
槽壁冲洗装置工作稳定，运行安全可靠，效果
整套装置固定在刮泥机行走衍架上，潜 优于转刷式清洗机构，无论制造成本和运行
图 1 Fliud80 单元模型
图 3 波纹板几何模型
图 2 瞬态动力学固液耦合计算流程图
问题，并且可以考虑加速度效应，特别适合于
处理流体晃动问题，同时还可以考虑温度对
粘度和阻尼的影响作用。
图 4 波纹板网格
1.3 固液耦合的计算依据
3.1 粘度选择
对于旅大平Байду номын сангаас上的原油储罐，其内部流
hk隔震立式储罐地震响应
隔震立式储罐地震响应的反应谱分析摘要：针对基底隔震储罐的地震响应问题，将储罐简化为三质点体系力学模型，考虑罐内连续液体质量等效为对流质量、脉冲质量和刚性质量，并引入隔震刚度。
根据各质点的刚度和质量计算各个质点的自振周期，确定动力放大系数，进而分析隔震立式储罐的地震响应。
与时程分析对比，验证反应谱法的适用性，并研究场地类别、隔震周期、高径比等主要参数对隔震储液罐地震响应的影响。
结果表明：反应谱法计算隔震立式储罐地震响应是偏于安全的；随着场地类别和隔震周期的增大，基底剪力减震率逐渐降低，晃动波高变化不明显，隔震后，液动压力呈线性变化，液动压力随着场地类别和高径比的增大而增大，随着隔震周期的增大而减小；高径比存在一定的优化段，在优化段内，基底剪力减震率较大，隔震效果较好。
关键词: 立式储罐；隔震；地震响应；反应谱0 引言对于立式钢制储罐基底隔震，可以通过反应谱法求得储罐地震响应，也可以通过时程分析法得到储罐的实时解。
但作为设计人员来说，工程中最关心的问题是储罐地震响应的最大值。
如不考虑累计损伤作用，反应谱法计算得到的地震作用已能够满足工程的需要。
本文主要采用反应谱方法计算立式钢制储罐基底隔震体系的地震动响应。
主要目的：（1）说明反应谱法计算基底隔震储罐地震响应的过程；（2）验证反应谱法计算基底隔震储罐地震动响应的可行性；（3）研究影响储罐基底隔震的主要参数。
这些参数包括：隔震周期、场地类别、高径比。
1 基底隔震储液罐简化力学模型假定液体无旋无粘，不可压缩，在地面运动与上部结构底部之间引入隔震层运动)(0t x ，考虑表面重力波的影响，考虑液固耦联的壳壁弹性振动。
设总速度势为Φ。
在上述假定条件下，储液的速度势Φ应满足如下的拉普拉斯方程和边界条件[1,2,3]：0112222222=∂Φ∂+∂Φ∂+∂Φ∂+∂Φ∂z r r r r θ （1） 0,0=∂Φ∂=πθθ （2a ） ()()θcos )]([0t w t x t xr g R r ++=∂Φ∂= （2b ） 00=∂Φ∂=Z Z（2c ）0),,(=+∂Φ∂=t r gh t v H Z wθ （2d ）罐中的连续液体质量包括对流质量、脉冲质量和刚性质量，分别用01,,m m m s 表示，质量相对地面高度为01H H H s 、、。
拱顶储罐顶壁连接处破坏机理研究与试验验证
９ ３单元 ， 基 、 板 、 板 、 钢 及 连 接 焊 缝 采 用 地 底 壁 角 实体 单 元 Ｓｌ ５ 肋 条 与 顶 板 的未 焊 接 处 采 用 ｏｉ ４ ， ｄ Ｃ ｎａｔ ７ 元进 行 接 触 模 拟 ， 板 与 地 基 采 用 ｏｔ ４单 ｃ１ 底 Ｃ ｎａｔ ７ 元 进行接 触模 拟 ， ｏｔ ５单 ｃ１ 罐底 与地 基 、 顶板
０ 引言
结 构 罐则发 生倾 倒 、 整体报 废 Ｊ为此 需 要对储 ， 罐 顶 壁连 接处破 坏压 力 和破坏 条件 进行计 算 和判 断 。在储罐 顶 壁 连接 处 破 坏 压 力计 算 中 ， 内外 国 许 多 学者分 别从 数值 仿真 和解 析解计 算 了破坏 压 力 ｊ 。其 中 Ａ Ｉ６０ ２０ Ｐ ５ － ０５研 究 报 告 采 用 自编 ＳｆＲ ｏ软 件 中 的 轴对 称 单 元 ， 算 了顶 壁 连 接 ａ ｏｆ ｅ 计 处 的破 坏压 力 ｊ在 计算 顶 壁 连接 处 的破 坏 压力 ，
基 金项 目： 省部级重 大项 目 “ 顶储罐弱顶技术 开发 ” ２ １０ ０ ） 拱 （０ ０ ８ ８
拱顶储罐顶壁连接处破坏机理研究与试验验证
时 ， 有学 者在 考虑 边 缘 载 荷 影 响下 求 解 破 坏 压 也 力Ｅ－］或者采 用试 验 的方 法 修 正 储 罐 破 坏 压 力 ６７， 计 算公 式 。但 都 没 有 明 确 给 出储 罐 顶 壁 连 接 处 的破 坏条 件 与应 力 和 压 力 的计 算 关 系 式 ， 为
储 罐径 厚 比很 大 ， 薄 壁 圆 柱壳 结 构 。若 不 属 考 虑罐 顶肋 条 结构 、 缝尺 寸 ， 用 Ａ ｓｓ 焊 采 ｎｙ 软件 的 两 节 点轴 对称 单元 Ｓｅ １ 行离 散 ， 立与 Ｓｆ ｈｌ５ 进 ｌ 建 ａ － ｅ ｏｆ 件 相 似 的轴 对 称 有 限元 模 型 ， 图 １所 Ｒ ｏ软 如
LNG储罐外壁地震响应有限元分析
Ｎ ｎｉ ａ ｎｌｓ ）是 南 美 国 麻 省 理 工 学 院 的 ｏ ｌ ｅ ｒＡ ａ ｉ ｎ ｙｓ
Ｂ Ｔ Ｅ 教授带 领 的 Ａ ＩＡ Ｒ Ｄ 公 司研 发 的商 用 ＡＨ ＤＮ ＆ 丁 ＿程软 件 … ， 是基 于有 限元 技 术 的 大 型通 用 分 析仿
真平 台之 一． Ｄ Ｎ 广 泛 适 用 于机 械 工 业 、 筑 工 Ａ ＩＡ 建
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ： Ｌ ｄｓ ＮＧ ａ ｋ；ｓ ｉｍｉ ｅ ｐ ｎ ｅ；ｔｍｅ ｈｉｔ ｒ ｎ ｌ ｓｓ ｔｎ ｅｓ ｃ ｒ ｓ ｏ ｓ ｉ — ｓｏ ａ ａｙ ｉ ；ＡＤＩ ｙ ＮＡ
０ 引 言
Ａ Ｉ Ａ （Ａ ｔ ｔ Ｄ ｎ ｍ ｃ Ｉｃｅ ｎａ ＤＮ ｕｏ ｉ ｍａ ｃ ｙａ ｉ ｎｒｍｅｔ ｌ
摘要 ： 用 Ａ ＩＡ分 别建 立 Ｌ Ｇ储罐 空罐 Ｓ Ｅ Ｌ壳体单 元及 ３ —Ｏ Ｉ 实体 单元有 限元模 型． 利 ＤＮ Ｎ ＨＬ ＤＳ ＬＤ 对
２种模 型进 行模 态分析 ， 证 Ｓ Ｅ Ｌ单元模 型 的有效性 ． Ｅ ｅ ｔ 地 震 波作 用 下对 Ｌ Ｇ储罐 混 验 ＨＬ 在 １ ｎｒ Ｃ ｏ Ｎ 凝 土外壁进 行地 震响 应分析 ． 果表 明 ： 结 在地 震作 用 下 ，Ｎ Ｌ Ｇ储罐 外壁 的位 移和 加速 度 沿罐 高方 向 逐渐 增 大 ； 空罐 时 ， Ｎ Ｌ Ｇ储罐 外壁 位移及 加速 度 时程 曲线与地 震波 形基本 一致． 关键 词 ： Ｎ Ｌ Ｇ储 罐 ； 震响应 ；时程分 析 ；Ａ Ｉ Ａ 地 ＤＮ
ＬＮＧ ａ ｋ ｕｔ ｒ ｗａ ｌ ｔｎ ｏ ｅ ｌ
ＹＵＡＮ ａ ｑｎ ，Ｐ Ｚｈ ｏ ｉ ｇ ＡＮ ｔｏ Ｄｅａ ，ＣＨＥＮ ｉｉｎ Ｆｅｘａ ｇ
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某简支梁桥的抖振响应分析
某简支梁桥的抖振响应分析简支梁是常用的一种简单结构，因其易于制造、施工方便等特点被广泛应用于桥梁工程中。
然而，简支梁桥在使用中会受到车辆行驶、风力等载荷作用，产生抖振响应。
本文将对某简支梁桥的抖振响应分析进行讨论。
1. 抖振响应的基本原理抖振响应是指当结构受到动力载荷时，由于结构自身原有的固有频率与载荷频率相近或一致，产生共振现象，即结构在载荷作用下产生更大的运动响应。
在桥梁结构中，车辆行驶、风力等载荷均可能引起结构抖振响应。
2. 简支梁的结构特点简支梁结构通常由梁体、支座和连墩组成。
梁体是桥梁结构的主要承载构件，支座是梁体与墩台、墩身之间的连接部位，而连墩则是桥梁结构的固定基座。
简支梁结构受到侧向荷载作用时，容易发生抖振现象。
某简支梁桥全长60m，宽度8m，砼梁为中空矩形截面，截面尺寸为1.2m×1.5m，有效梁长为50m。
假设车辆质量为20t，车速为60km/h，受力轴距为4.5m，风速为10m/s。
根据结构动力学原理，该简支梁桥的固有频率可计算得为2.6Hz。
在车辆行驶及侧向风荷载的作用下，简支梁桥易受到侧向扭转作用，因此抖振响应主要考虑桥梁的扭振和横振响应。
针对该简支梁桥，需要对其进行模态分析和响应分析。
模态分析是指利用有限元分析方法求解结构各主模态下的固有频率、振型和振幅等参数。
在模态分析中，可以确定结构的固有频率，为后续响应分析提供依据。
响应分析是指利用位移法、强迫振动法等方法求解结构在外界动力载荷下的运动参数，如位移、速度、加速度等。
在响应分析中，可以确定结构动态响应情况，为结构抖振的控制提供依据。
4. 结论简支梁桥是常用的一种桥梁结构，其抖振响应容易产生。
对于简支梁桥的抖振响应分析，应该考虑车辆行驶和风载荷的作用，进行模态分析和响应分析，并结合实际情况加强结构控制和防护措施，从而保障结构的安全可靠性。
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第26卷第3期2010年9月 世 界 地 震 工 程WORLDEARTHQUAKEENGINEERINGVo.l25No.3Sep.2010
收稿日期:2010-03-16; 修订日期:2010-04-15 基金项目:中石油科技创新基金项目(2009D-5006-06-03);中央高校自主科研基金项目(DC10020119) 作者简介:孙建刚(1959-),男,教授,博士,主要从事防灾减灾工程及防护工程、结构工程研究1E-mai:lsjg728@163.com
文章编号:1007-6069(2010)03-0162-07位移谐波激励下拱顶锚固储罐的动力响应分析孙建刚1,王 振1,王 丰1,吴志平2(1.大连民族学院土木建筑工程学院,辽宁大连116600;2.大庆石油学院土木建筑工程学院,黑龙江大庆163318)
摘 要:地震中拱顶锚固储罐的破坏将造成严重的后果,研究其地震作用下的动力响应特性具有一定工程意义。以位移简谐波为水平激励,运用ADINA有限元软件对一座3000m3的拱顶锚固储罐模型进行动力数值模拟,系统分析了储罐内液面晃动波高、动水压力极值、罐壁应力、拱顶应力、拱顶位移等动力响应结果,将以位移谐波激励和以加速度谐波激励的储罐动力响应结果进行比较。分析表明,位移谐波激励下拱顶锚固储罐的液面晃动波高受场地影响较大;储罐应力分布具有一定规律性;采用位移谐波激励时其应力、位移和动水压力等较采用加速度谐波激励时大,液体晃动波高较小。关键词:拱顶锚固储罐;位移谐波激励;动力响应;有限元分析中图分类号:P315.983;TU43 文献标识码:A
Thedynamicresponseanalysesofvault-anchoredtankssubjectedtohorizontaldisplacementharmonicexcitation
SUNJiangang1,WANGZhen1,WANGFeng1,WUZhiping2(1.CollegeofArchitecture&CivilEngineering,DalianNationalitiesUniversity,Dalian116600,China;2.CollegeofCivilEngineering,DaqingPetroleumInstitute,Daqing163318,China)
Abstract:Seismicdisastersareindicatedthatdamageoftanksunderstrongearthquakewouldresultinseriouscon-sequences,soitisparticularlyimportantforstudyingtheseismicperformanceoftanks.Thedynamicresponseofavault-anchoredtanksubjectedtohorizontaldisplacementharmonicexcitationisinvestigated.Finiteelementsmodelsofa3000m3conerooftankareusedtothestudy.Thevaul-tanchoredtankisanalyzedunderthedisplacementexc-itationofharmonicwaves,dynamicresponseanalysisofthetankisachieved1Besidesthecomparativeanalysesofthetankunderthebothdisplacemetandaccelerationexcitationaremade.Thedynamicresponseanalysesshowthatliq-uidsloshingwaveheightofthetankisinfluencedbygroundsiteobviously,thestressdistributionsofthetankhaveacertainregularity.Thecomparisonbetweenresponseresultsunderthedisplacementexcitationandtheaccelerationexcitationshowthatthestress,thedisplacementandthedynamicwaterpressurearelargerandtheliquidsloshingwaveheightislowerforthedisplacementexcitation.Keywords:vaul-tanchoredtank;displacementharmonicexcitation;dynamicresponse;finiteelementanalysis
引言大型储罐是油田和石油化工及相关企业广泛应用的容器,由于其多存储易燃、易爆、有毒的介质,一旦在地震中发生破坏将造成严重的后果,因此大型储罐的抗震研究一直以来都受到学术与工程界的关注。近年来,在储罐类型中拱顶储罐占有较大比重,为完善拱顶储罐的抗震设计即抗震加固设计,研究其地震作用下的动力响应性能具有一定的工程意义。目前,对储罐的抗震研究已取得了一定的进展[1-8]。以往研究中采用的地震动激励方式多为加速度激励,而有关研究认为采用位移激励方式要优于加速度激励。对于地震位移记录和加速度记录,两者之间的关系很难确定,而正弦谐波位移和加速度的关系由数值微分很容易确定,为此文中对拱顶锚固储罐采用简谐波激励进行动力响应分析。
1 分析模型和激励模式1.1 储罐及液体单元模型文中使用有限元软件ADINA进行建模及分析。由于储罐的罐壁和底板均为薄壁构件,可采用4节点等参壳单元进行模拟,该单元可用来模拟薄壳结构。储罐材料为钢材,其破坏形式通常为塑性屈服,所以选取服从vonMises相关联流动规则的双线性等向硬化模型作为钢储罐的弹塑性本构关系。储罐的阻尼选用Rayleigh阻尼。
图1 拱顶储罐有限元模型Fig.1 Finiteelementmodelofavault-anchoredtank
在储液罐动态分析中,液体对储罐运动的影响不能忽略。流-固耦合需考虑的重要因素是流体的密度和可压缩性,及流体运动和传播到固体结构上的压力(静、动态)。储液和罐体运动相对不大,简化条件下储液粘度可以忽略。以往研究中,很多学者将动水压力简化为罐壁上的附加质量,沿罐高呈一定分布[9]。采用势流体单元模拟储罐中的液体,在液体表面为自由面单元,其他为流体单元。1.2 储液罐模型参数储罐模型的容积均为3000m3。罐体材料为20R钢材,屈服强度为325MPa。钢材的主要参数为:弹性模量206000MPa,泊松比0.3,屈服应力215MPa,切线模量2060MPa,阻尼比0.05。工程上储罐球面拱顶的厚度与罐的大小和储罐的设计条件有关,采用储罐拱顶厚度为5.5mm,拱顶做加肋处理。在有限元建模中,通过柱坐标系统建立储罐模型,以试算的方法来确定单元网格的划分密度。将罐壁简化为变截面圆柱壳(变壁厚模型),拱顶环向肋和纵向肋按文献[10]的相关公式折算到壳(蒙皮)厚度上一并考虑,罐底为等厚的薄壳,对罐底施加固定约束,模拟锚固罐模型。储罐模型见图1。拱顶储罐的几何参数见表1。
表1 拱顶储罐的几何参数Table1 Thegeometricparametersofvault-anchoredtank
公称容积V/m3储罐内径D/m储罐高度H/m拱顶高度Hr/m底板厚度/mm壁板厚度Tb/mm
3@10318.911.762.0499131198666 注:表中拱顶储罐数据取自化工部系列数据,其中各圈壁板、顶板、底板厚度均包括腐蚀裕量。
1.3 位移谐波激励及场地分类通过研究,很多学者认为采用位移激励模拟地震作用要优于加速度激励。但以往的地震位移记录资料较少,而且地面位移时程很难通过地震加速度记录转化,所以文中采用位移正弦简谐波作为储罐的水平激励,进行拱顶锚固储罐的动力屈曲分析。当采用正弦位移曲线作为储罐的动力输入时,罐底地面的位移和加速度分别表示为:
163第3期 孙建刚,等:位移谐波激励下拱顶锚固储罐的动力响应分析xg(t)=Asin(Xt);&xg(t)=-AX2sin(Xt)(1)式中:A为位移幅值;AX2为加速度幅值;X为圆频率。于是,地面加速度峰值PGA和位移幅值关系为:PGA=AX2(2)由式(1),通过改变谐波的位移幅值A可实现逐级加大储罐的动力响应。对于不同位移幅值的动力输入,由式(2)来计算地面运动加速度峰值。通过地面运动加速度峰值来确定地震烈度,动力分析中采用的地震烈度设为9度。对于场地类别,可通过相应的卓越周期进行划分。I~IV四类场地对应的卓越周期分别为0.25s、0.35s、0.45s、0.65s。
2 动力响应分析2.1 液体晃动波高分析储罐的有限元模型可模拟液体的自由晃动影响,储罐的罐壁和罐内液体自动耦合,不共用节点。通过有限元动力分析得到罐内液面在水平激励方向上左右两节点的液面晃动波高时程,如图2所示。由图可知,液面的晃动以长周期波动为主,左右节点波高值对称分布,晃动波高受场地类型影响明显,4类场地分别为5.66cm、7.54cm、13.87cm、39.27cm,场地越软波高值越大,原因是液面波高值受场地谐波周期和液体晃动周期关系影响。
图2 储罐液面晃动波高Fig.2 Theliquidsloshingwaveheightoftank
2.2 动水压力分析图3给出了在4种场地上沿罐壁高度的动水压力分布。从图中可以看出,动水压力沿罐壁分布并不是光滑的曲线,特别是在罐壁底部的动水压力分布比较复杂。4种场地的最大动水压力分别为12712kPa、10217kPa、12514kPa、12712kPa,分布在距罐底一定高度处,沿罐壁向上越来越小。在自由液面处的动水压力值为负值,4种场地上分别为-1134kPa、-0.77kPa、-1141kPa、-1133kPa,说明储罐在动力激励下自由液面处产生了负的对流压力。
164世 界 地 震 工 程 第26卷