頡鴻翼

（蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

1 概述

地震是一種重大的自然災(zāi)害，具有毀滅性和突發(fā)性的顯著特點(diǎn)，嚴(yán)重危及人民生命和財(cái)產(chǎn)的安全。而地震中儲(chǔ)油罐的損傷，不僅會(huì)造成土壤的污染，也可能會(huì)引發(fā)火災(zāi)等重大次生災(zāi)害。因此，作為國(guó)家戰(zhàn)略物資儲(chǔ)備的重要組成部分，提高儲(chǔ)油罐的抗震能力，保障儲(chǔ)油罐的安全對(duì)于保障災(zāi)后重建油料供應(yīng)具有重要作用，并具有重大戰(zhàn)略意義。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)于儲(chǔ)液罐進(jìn)行了大量的研究，許峰[1]通過LS-DYNA研究了儲(chǔ)液罐結(jié)構(gòu)的模態(tài)，并對(duì)不同儲(chǔ)液高度及爆破荷載作用下的罐壁質(zhì)點(diǎn)振速和應(yīng)力的分布特點(diǎn)進(jìn)行了研究。程選生等[2]針對(duì)混凝土矩形貯液結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律及隔減震控制方法進(jìn)行了大量的研究，研究顯示隔震能夠減少儲(chǔ)液結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，減少儲(chǔ)液結(jié)構(gòu)的損傷，但不能有效的減少液體的晃動(dòng)波高。劉帥[3]提出一種在隔震儲(chǔ)罐中增設(shè)黏滯質(zhì)量阻尼器被動(dòng)控制方法，并對(duì)儲(chǔ)罐晃動(dòng)響應(yīng)被動(dòng)控制方法的效果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該被動(dòng)控制方法能夠有效降低儲(chǔ)液罐上部液體的晃動(dòng)響應(yīng)。高小波[4]進(jìn)行了考慮樁土作用的儲(chǔ)液罐模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究加速度沿土體高度方向的變化規(guī)律，結(jié)構(gòu)體系的放大效應(yīng)以及長(zhǎng)短周期地震波對(duì)儲(chǔ)液晃動(dòng)波高的影響。本文基于國(guó)內(nèi)外已有研究成果，針對(duì)定西地區(qū)某圓柱型儲(chǔ)油罐的動(dòng)力災(zāi)變性能進(jìn)行相關(guān)研究，獲取不同類型地震動(dòng)作用下儲(chǔ)油罐的動(dòng)力響應(yīng)，獲取油罐的壁板位移響應(yīng)和液體晃動(dòng)狀態(tài)特性。

2 地震動(dòng)記錄選取

動(dòng)力時(shí)程分析中，目前國(guó)內(nèi)外的選波方法大體上可分為三類，即基于場(chǎng)地地震信息、基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，以及考慮最不利設(shè)計(jì)地震動(dòng)的方法?；趫?chǎng)地地震信息的選波方法是依據(jù)地震危險(xiǎn)性分析的結(jié)果，設(shè)定場(chǎng)地的地震信息（如震級(jí)、震中距等），選取當(dāng)?shù)鼗蝾愃茥l件場(chǎng)地歷史上發(fā)生過的實(shí)際地震記錄，這類方法具有普遍性且能夠較真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)所在場(chǎng)地特性和地震環(huán)境，在挑選出符合條件的地震動(dòng)后再按一定方法進(jìn)行地震動(dòng)調(diào)整。第二類方法在選波過程中考慮了結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性，以設(shè)計(jì)反應(yīng)譜作為目標(biāo)譜進(jìn)行匹配選波，因此進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)可使結(jié)構(gòu)響應(yīng)的離散性大大減小，但是由于無法反映場(chǎng)地真實(shí)的地震危險(xiǎn)性，適合當(dāng)?shù)鼗蝾愃茍?chǎng)地的地震記錄數(shù)量較少時(shí)采用。第三類方法主要針對(duì)特別重要或高頻地震危險(xiǎn)區(qū)的結(jié)構(gòu)，需要選取那些能使結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)最大或結(jié)構(gòu)在地震下的性態(tài)最不利的地震動(dòng)[5]。

地震動(dòng)記錄的隨機(jī)性會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)產(chǎn)生重要的影響，本文選取較為常用的Elcentro地震動(dòng)記錄，分析儲(chǔ)油罐結(jié)構(gòu)在不同貯液率工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，從而獲取結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。

3 大型儲(chǔ)油罐抗震性能分析

為了更好地分析儲(chǔ)油罐結(jié)構(gòu)在地震動(dòng)作用下的動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果，研究不同儲(chǔ)油率的儲(chǔ)油罐結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，建立0%，50%，100%儲(chǔ)油率的儲(chǔ)油罐模型，沿著X軸方向輸入Elcentro地震動(dòng)記錄，分析在設(shè)防、多遇和罕遇地震動(dòng)作用下儲(chǔ)油罐的壁板位移響應(yīng)、液動(dòng)壓力、液體晃動(dòng)波高等。Elcentro地震動(dòng)記錄曲線如圖1所示。

圖1 Elcentro地震動(dòng)記錄曲線

3.1 0%儲(chǔ)液率工況下儲(chǔ)液罐壁板動(dòng)力響應(yīng)

建立0%儲(chǔ)液率的儲(chǔ)油罐結(jié)構(gòu)有限元分析模型，沿著X方向輸入經(jīng)過調(diào)幅的Elcentro地震動(dòng)記錄，分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，獲得儲(chǔ)油罐罐壁結(jié)構(gòu)壁板最大位移響應(yīng)如圖2所示，并獲得儲(chǔ)油罐罐壁結(jié)構(gòu)壁板最大位移響應(yīng)、速度響應(yīng)、加速度響應(yīng)、等效應(yīng)力變化等見表1。

由圖2可知，不同加速度作用下最大壁板位移發(fā)生位置均發(fā)生在壁板頂端，且不同加速度作用下壁板的最大位移響應(yīng)包絡(luò)圖變化均一樣，即在不同峰值加速度作用下，儲(chǔ)油罐的X方向壁板響應(yīng)均一致，僅最大反應(yīng)峰值有所不同。

由表1可知，儲(chǔ)油罐結(jié)構(gòu)在0%儲(chǔ)液率狀態(tài)不同峰值加速度下，其壁板最大位移、速度均出現(xiàn)在壁板頂端，結(jié)構(gòu)的壁板最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在壁板的最底端。且在不同峰值加速度作用下壁板應(yīng)力遠(yuǎn)小于鋼材的彈性應(yīng)力，即在0%儲(chǔ)液率情況下的儲(chǔ)油罐尚處于彈性工作狀態(tài)。

圖2 儲(chǔ)油罐壁板X方向位移響應(yīng)

表1 0%儲(chǔ)液率工況下儲(chǔ)液罐壁板動(dòng)力響應(yīng)

表2 50%儲(chǔ)液率工況下儲(chǔ)液罐壁板動(dòng)力響應(yīng)

3.2 50%儲(chǔ)液率工況下儲(chǔ)液罐壁板動(dòng)力響應(yīng)

建立50%儲(chǔ)液率的儲(chǔ)油罐結(jié)構(gòu)有限元分析模型，沿著X方向輸入經(jīng)過調(diào)幅的Elcentro地震動(dòng)記錄，獲得儲(chǔ)油罐罐壁結(jié)構(gòu)壁板最大位移響應(yīng)、速度響應(yīng)、加速度響應(yīng)及等效應(yīng)力變化見表2。

由表2可知，儲(chǔ)油罐結(jié)構(gòu)在50%儲(chǔ)液率狀態(tài)不同峰值加速度作用下，其壁板最大位移、速度、加速度均與0%儲(chǔ)液率工況下的結(jié)構(gòu)壁板響應(yīng)接近，但其最大加速度發(fā)生位置與0%儲(chǔ)液率工況稍有不同。50%儲(chǔ)液率時(shí)，設(shè)防地震作用下液體晃動(dòng)最大波高為0.4m，液體最大動(dòng)壓力為0.009MPa，不存在液體泄漏的問題；罕遇地震作用下液體晃動(dòng)最大波高為1.1m，液體最大動(dòng)壓力為0.024MPa，液體有可能泄露。

1.2.3 100%儲(chǔ)液率工況下儲(chǔ)液罐壁板動(dòng)力響應(yīng)

建立100%儲(chǔ)液率的儲(chǔ)油罐結(jié)構(gòu)有限元分析模型，獲得儲(chǔ)油罐罐壁結(jié)構(gòu)壁板最大位移響應(yīng)、速度響應(yīng)、加速度響應(yīng)及等效應(yīng)力變化見表3。

表3 100%儲(chǔ)液率工況下儲(chǔ)液罐壁板動(dòng)力響應(yīng)

由表3可知，儲(chǔ)油罐結(jié)構(gòu)在100%儲(chǔ)液率狀態(tài)不同峰值加速度作用下，其壁板最大位移、速度、加速度均較0%和50%儲(chǔ)液率工況下的結(jié)構(gòu)壁板響應(yīng)大，最大響應(yīng)均發(fā)生在壁板頂端，但100%儲(chǔ)液率工況下的儲(chǔ)液罐壁板的加速度響應(yīng)放大較多。100%儲(chǔ)液率時(shí)，設(shè)防地震作用下液體晃動(dòng)最大波高為0.933m，液體最大動(dòng)壓力為0.139MPa，在不設(shè)置浮頂時(shí)存在液體泄漏的問題；罕遇地震作用下液體晃動(dòng)最大波高為1.58m，液體最大動(dòng)壓力為0.291MPa。

4 結(jié)論

對(duì)比不同儲(chǔ)液率工況下儲(chǔ)油罐結(jié)構(gòu)在不同加速度峰值作用下的動(dòng)力響應(yīng)，得到以下結(jié)論：

1)結(jié)構(gòu)的壁板位移、壁板速度、壁板加速度等均隨著加速度峰值的增大而增大；液動(dòng)壓力等均隨著儲(chǔ)液率的增大有所增大。

2)隨著儲(chǔ)液率的增大，儲(chǔ)液罐的等效應(yīng)力、壁板的速度、加速度等均有所增大，等效應(yīng)力位置也有所變化。

3)隨著儲(chǔ)液率的增大，儲(chǔ)存液體的晃動(dòng)波高逐漸增大，液體動(dòng)壓力也有所增大，最大動(dòng)壓力的位置也隨著儲(chǔ)液率的不同而有所變化。

4)在設(shè)防地震動(dòng)作用下，儲(chǔ)油罐結(jié)構(gòu)的變形及液體晃動(dòng)波高能夠滿足規(guī)范要求。對(duì)于9度罕遇情況，儲(chǔ)油罐的動(dòng)力響應(yīng)較大，液體晃動(dòng)波高較大，有可能發(fā)生泄露。