摘 要 對(duì)比分析了中美標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于LNG儲(chǔ)罐抗震計(jì)算內(nèi)容，對(duì)國標(biāo)抗震參數(shù)進(jìn)行了適用于美標(biāo)抗震計(jì)算的轉(zhuǎn)換，并結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目分別應(yīng)用ASCE7未定義地區(qū)抗震計(jì)算方法和抗震參數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)備抗震計(jì)算，以脈沖加速度、對(duì)流加速度值為結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)相較于應(yīng)用ASCE7未定義地區(qū)抗震方法所得計(jì)算結(jié)果，抗震參數(shù)轉(zhuǎn)換方法所得結(jié)果值更小。

關(guān)鍵詞 LNG儲(chǔ)罐 地震參數(shù)轉(zhuǎn)換 抗震計(jì)算 標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換

中圖分類號(hào) TQ053.2" "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A" "文章編號(hào) 0254?6094（2023）01?0088?04

液化天然氣（LNG）作為一種清潔能源，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中[1]。作為液化天然氣（LNG）的儲(chǔ)存容器，LNG儲(chǔ)罐因具有較高的安全性和經(jīng)濟(jì)性得到了廣泛的應(yīng)用?？拐鹩?jì)算是LNG儲(chǔ)罐完整性設(shè)計(jì)中的重要組成部分[2]。鑒于目前國內(nèi)并未有針對(duì)LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)規(guī)范，因此在LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)過程中通常以API 620[3]、API 650[4]為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于在國內(nèi)制造的LNG儲(chǔ)罐，因依據(jù)抗震標(biāo)準(zhǔn)不同，國內(nèi)現(xiàn)場地震相關(guān)參數(shù)不能直接應(yīng)用于API 650中，故只能依據(jù)API 650附錄E4.3中在ASCE7未定義地區(qū)方法進(jìn)行計(jì)算。針對(duì)在ASCE7未定義的區(qū)域，該抗震分析計(jì)算方法中變量僅為基本加速度，結(jié)果的準(zhǔn)確性和適用性有待考證。

筆者首先基于等效靜力法將中國抗震參數(shù)轉(zhuǎn)化為適用于API 650的抗震參數(shù)，而后對(duì)比ASCE7未定義地區(qū)抗震參數(shù)計(jì)算方法和基于等效靜力法對(duì)中國抗震參數(shù)轉(zhuǎn)換兩種計(jì)算方法所得結(jié)果的不同，以期為后續(xù)國內(nèi)LNG儲(chǔ)罐抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 中美抗震計(jì)算分析及轉(zhuǎn)換

針對(duì)儲(chǔ)罐抗震分析和計(jì)算，在工程應(yīng)用時(shí)通常采用等效靜力法進(jìn)行簡化計(jì)算，即以地震反應(yīng)譜理論為基礎(chǔ)，依照地震反應(yīng)譜曲線得出地震影響系數(shù)，從而確定與地震作用等效的靜力荷載，該方法是抗震規(guī)范普遍采用的做法。下面從不同方面對(duì)中美標(biāo)準(zhǔn)中抗震計(jì)算進(jìn)行分析。

1.1 地震總剪切力

標(biāo)準(zhǔn)GB 50011—2010中基于底部剪切力方法，可得設(shè)備底部總水平剪切力為：

FEk=α1Geq" " " " " （1）

式中 FEk——結(jié)構(gòu)總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值;

Geq——結(jié)構(gòu)等效總重力載荷;

α1——相應(yīng)于結(jié)構(gòu)基本自振周期的水平地震影響系數(shù)值。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASCE7?10，可得設(shè)備地震基礎(chǔ)剪切力V為：

V=CsW" " " " " （2）

式中 Cs——地震反應(yīng)相關(guān)性;

W——有效地震重量。

將兩種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即令式（1）與式（2）相等，考慮到Geq與W均為地震作用時(shí)的載荷，可認(rèn)為其值相等，則可得：

α1=Cs=" " " " "（3）

式中 Ie——重要性系數(shù);

R——地震響應(yīng)修正系數(shù);

SDS——5%阻尼，以ASCE7的方法為基礎(chǔ)的短時(shí)間內(nèi)（T=0.2 s）反應(yīng)譜響應(yīng)加速度參數(shù)。

1.2 場地類別

標(biāo)準(zhǔn)API 650中根據(jù)土壤層中的平均剪切波速將場地分為A、B、C、D、E、F總計(jì)6個(gè)類別，其中剪切波速基于30 m深土壤層處測量所得。

標(biāo)準(zhǔn)GB 50011—2010中，按照土壤層等效剪切波速和場地覆蓋層厚度將場地類別分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ總計(jì)4個(gè)類別，其中等效剪切波速的計(jì)算深度為20 m和覆蓋層厚度兩者之間的最小值。

為比較、轉(zhuǎn)換、統(tǒng)一中美標(biāo)準(zhǔn)中的場地類別，羅開海和王亞勇將中國規(guī)范的計(jì)算深度由20 m延伸至30 m，根據(jù)保持分類不變的原則，計(jì)算Ⅱ類場地各邊界點(diǎn)的等效剪切波速，并在計(jì)算過程中采用了一系列假定，得出中美標(biāo)準(zhǔn)中場地類別的轉(zhuǎn)化圖[5]，由圖可知中國規(guī)范的Ⅱ類場地大致相當(dāng)于美國規(guī)范的C、D類場地。

1.3 地震加速度

標(biāo)準(zhǔn)GB 50011—2010中給出了基本烈度地震的地震加速度，在50年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)相應(yīng)的超越概率為10%，重現(xiàn)期約為475年。

標(biāo)準(zhǔn)API 650中分別針對(duì)OBE、SSE工況（分別對(duì)應(yīng)API 620中OLE、CLE工況）進(jìn)行地震烈度參數(shù)的選取，其中OBE工況對(duì)應(yīng)于國標(biāo)基本烈度地震，SSE工況對(duì)應(yīng)于重現(xiàn)期約為2 475年的地震。

將中美標(biāo)準(zhǔn)中地震加速度進(jìn)行轉(zhuǎn)換，表1給出了各重現(xiàn)期峰值加速度的比值。

1.4 地震響應(yīng)曲線

標(biāo)準(zhǔn)GB 50341—2014中給出了地震影響系數(shù)曲線，分別有上升段、平臺(tái)段、曲線下降段和直線下降段，如圖1所示。

標(biāo)準(zhǔn)API 650中給出了地震影響系數(shù)曲線，類似GB 50341—2014，亦有上升段、平臺(tái)段、曲線下降段，如圖2所示。

1.5 中美抗震標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換

圓筒形立式儲(chǔ)罐是由彈性罐體和罐內(nèi)儲(chǔ)液組成的體系。儲(chǔ)罐所受的地震作用包括罐體重量產(chǎn)生的慣性力和儲(chǔ)液的動(dòng)液壓力兩部分。而動(dòng)液壓力又可以分為脈沖壓力和液體晃動(dòng)的對(duì)流壓力[6]。

中美兩標(biāo)準(zhǔn)均基于Haroun?Housner力學(xué)模型[7]進(jìn)行儲(chǔ)罐抗震計(jì)算。此模型將罐底與地面視為剛性連接，忽略了晃動(dòng)對(duì)罐壁變形的影響，考慮液固耦連作用和罐壁彈性變形引起的短期壓力分量?？梢钥闯鲈撃Ｐ涂紤]在地震載荷作用下儲(chǔ)液的主要運(yùn)動(dòng)形式分別為對(duì)流分量、柔性脈動(dòng)分量（隨罐壁同步運(yùn)動(dòng)部分）和剛性脈動(dòng)分量（隨地面一起運(yùn)動(dòng)部分）。

液面晃動(dòng)屬于長周期振動(dòng)。我國現(xiàn)有的儲(chǔ)罐系列液面晃動(dòng)周期范圍大多在3～15 s，遠(yuǎn)大于一般結(jié)構(gòu)物的自振周期，而液面晃動(dòng)的阻尼卻很小，標(biāo)準(zhǔn)GB 50341—2014中所采用的反應(yīng)譜是按照阻尼比為5%來確定的。

罐壁和儲(chǔ)液的耦連振動(dòng)屬于短周期振動(dòng)。一般將其簡化為梁式振動(dòng)進(jìn)行分析，其一階自振周期在0.1～0.5 s范圍內(nèi)，與一般剛性結(jié)構(gòu)物接近。

上述兩種振動(dòng)基本沒有耦連振動(dòng)影響，可分別求解計(jì)算。

對(duì)于脈沖周期（即短周期運(yùn)動(dòng)），阻尼比為5%，地震影響系數(shù)值α1為：

α1=η2αmax" " " " （4）

其中η2=1。建構(gòu)物的最大加速度絕對(duì)值為：

α′max=βαmax=βγ1Acc" " " （5）

式中 Acc——設(shè)計(jì)基本地震加速度，即基本烈度對(duì)應(yīng)的地面運(yùn)動(dòng)峰值加速度;

αmax——重現(xiàn)期2 475年的地震加速度值;

β——?jiǎng)恿Ψ糯笙禂?shù)，取2.5;

γ1——各重現(xiàn)期地震地面運(yùn)動(dòng)峰值加速度比值。

聯(lián)立式（3）～（5），暫不考慮I/Rw，可得：

Ss=" " " "（6）

式中 Fa——基礎(chǔ)的加速度系數(shù)，每個(gè)周期0.2 s;

Ss——所考慮最大的地震，5%阻尼，很短時(shí)間內(nèi)（0.2 s）反應(yīng)譜響應(yīng)加速度參數(shù)。

對(duì)于對(duì)流周期（即長周期運(yùn)動(dòng)），對(duì)比分析中美標(biāo)準(zhǔn)的地震響應(yīng)系數(shù)曲線，可得出：

S1=" " " "（7）

式中 FV——基礎(chǔ)速度系數(shù)（每個(gè)周期0.2 s）;

S1——所考慮最大的地震，5%阻尼，1 s內(nèi)反應(yīng)譜響應(yīng)加速度參數(shù);

Tg——特征周期。

2 抗震計(jì)算對(duì)比分析

經(jīng)上述分析，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)例對(duì)抗震計(jì)算進(jìn)行更進(jìn)一步的對(duì)比分析。已知某項(xiàng)目現(xiàn)場參數(shù)如下：儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)液位21.7 m，公稱直徑30 m，設(shè)備所在區(qū)域基本地震烈度為7度（0.10g），設(shè)計(jì)地震分組為第2組，場地類型為Ⅱ類。對(duì)比分析ASCE7未定義地區(qū)抗震計(jì)算方法和國標(biāo)抗震參數(shù)轉(zhuǎn)換為適用于美標(biāo)的計(jì)算方法，考慮到脈沖加速度、對(duì)流加速度為影響設(shè)備抗震計(jì)算的關(guān)鍵因素，因此以這兩個(gè)參數(shù)為結(jié)果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 ASCE7未定義地區(qū)抗震計(jì)算方法

標(biāo)準(zhǔn)API 650附錄E4.3中針對(duì)ASCE7未定義地區(qū)的抗震參數(shù)規(guī)定為：Ss=2.5Sp、S1=1.25Sp。其中，Sp對(duì)應(yīng)基本烈度地震加速度值。

針對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果列于表2。

2.2 抗震參數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)算方法

抗震參數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)算公式為式（6）、（7）。相較于ASCE7未定義地區(qū)抗震計(jì)算方法，抗震參數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)算方法綜合考慮了場地類別（Fa與FV）及特征周期（Tg）等因素的影響，此方法更加符合工程現(xiàn)場實(shí)際情況。

利用式（6）、（7），對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)換，即場地類型對(duì)應(yīng)D類場地，特征周期Tg=0.4 s，計(jì)算結(jié)果見表3。

對(duì)比上述兩種方法計(jì)算結(jié)果可見：對(duì)于OBE操作工況，抗震參數(shù)轉(zhuǎn)換方法計(jì)算所得脈沖加速度值（Ai）為ASCE7未定義地區(qū)抗震方法計(jì)算結(jié)果的62.5%，抗震參數(shù)轉(zhuǎn)換方法計(jì)算所得對(duì)流加速度值（Ac）為ASCE7未定義地區(qū)抗震方法計(jì)算結(jié)果的36.8%;對(duì)于SSE操作工況，抗震參數(shù)轉(zhuǎn)換方法計(jì)算所得脈沖加速度值（Ai）為ASCE7未定義地區(qū)抗震方法計(jì)算結(jié)果的83.3%，抗震參數(shù)轉(zhuǎn)換方法計(jì)算所得對(duì)流加速度值（Ac）為ASCE7未定義地區(qū)抗震方法計(jì)算結(jié)果的47.9%。

3 結(jié)論

3.1 基于等效靜力法，對(duì)中標(biāo)、美標(biāo)中不同抗震參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)一分析，實(shí)現(xiàn)了國標(biāo)抗震參數(shù)適用于美標(biāo)抗震計(jì)算的轉(zhuǎn)換，對(duì)比結(jié)合地震響應(yīng)曲線得出抗震參數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)算公式。

3.2 基于實(shí)際工程項(xiàng)目，分別應(yīng)用ASCE7未定義地區(qū)抗震計(jì)算方法和抗震參數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)算方法進(jìn)行抗震計(jì)算，以脈沖加速度和對(duì)流加速度值為結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)相較于應(yīng)用ASCE7未定義地區(qū)抗震方法所得計(jì)算結(jié)果，抗震參數(shù)轉(zhuǎn)換方法所得結(jié)果值更小，計(jì)算結(jié)果為：對(duì)于OBE操作工況，脈沖加速度值（Ai）相差37.5%，對(duì)流加速度值（Ac）相差63.2%;對(duì)于SSE操作工況，脈沖加速度值（Ai）相差16.7%，對(duì)流加速度值（Ac）相差52.1%。

3.3 相較于ASCE7未定義地區(qū)抗震參數(shù)計(jì)算方法，抗震參數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)算方法綜合考慮了場地類型（Fa與FV）及特征周期（Tg）等因素，抗震參數(shù)轉(zhuǎn)換方法所得計(jì)算結(jié)果值更小，且結(jié)合工程實(shí)例應(yīng)用兩種抗震計(jì)算方法驗(yàn)證了上述結(jié)論，以期為后續(xù)國內(nèi)LNG儲(chǔ)罐抗震設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 蘆曉會(huì).雙壁低溫鋼制儲(chǔ)罐抗震分析研究[D].東營：中國石油大學(xué)（華東），2013.

[2] 揚(yáng)帆，張超，鄧青.大型LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方案比選[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2012，31（11）：830-832.

[3] American Petroleum Institute.Design and Construction of Large，Welded，Low?pressure Storage Tanks：API 620[S].Washington D.C.：API，2018.

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[5] 羅開海，王亞勇.中美歐抗震設(shè)計(jì)規(guī)范地震動(dòng)參數(shù)換算關(guān)系的研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2006，36（8）：103-107.

[6] 程旭東.大型儲(chǔ)罐的抗震可靠性分析及其震害預(yù)測[D].青島：中國石油大學(xué)（華東），2010.

[7]" " HAROUN M A.Dynamic analyses of liquid storage ta?nks[D].Pasadena，CA：California Institute of Technology，1980.

（收稿日期：2022-02-11，修回日期：2023-01-07）

Conversion and Calculation of Chinese and American Standards

in Seismic Calculation of LNG Storage Tank

LIU Qing?hua， MA Shu?hui， XU Rong?gang， LIU Wu?shan

（North China Company， China Petroleum Engineering amp; Construction Co.）

Abstract" "In this paper， the anti?seismic calculation of LNG storage tanks in Chinese and American standards were contrastively analyzed， and the anti?seismic parameters of Chinese standard were converted so as to comply with the anti?seismic calculation of American standards. Through combined with actual engineering projects， the anti?seismic calculation method of areas undefined in ASCE7 and the anti?seismic parameter conversion calculation method were applied to the equipment’s anti?seismic calculation respectively; taking the pulse acceleration and convective acceleration values as the index of the result evaluation shows that， the result value of seismic parameter conversion method is smaller than that of ASCE7 undefined area seismic method.

Key words" " LNG tank， seismic parameters conversion， anti?seismic calculation， standard conversion

作者簡介：劉清華（1980-），工程師，從事石油天然氣設(shè)備設(shè)計(jì)及技術(shù)管理工作，349848029@qq.com。

引用本文：劉清華，馬樹輝，徐榮剛，等.針對(duì)LNG儲(chǔ)罐抗震計(jì)算時(shí)中美標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換及計(jì)算[J].化工機(jī)械，2023，50（1）：88-91.