大型液化天然气（LNG）储罐地震响应分析.pdf

低温建筑技术 2 0 1 2年第 1 期 总第 1 6 3 期 大型液化天然气 L N G 储罐地震响应分析 杨建江， 林杨 天津大学建筑工程学院 。 天津3 0 0 0 7 2 【 摘要】 基于陆培炎提出的横向荷载作用下土、 桩共同作用的集中力弹簧模型， 将桩土共同作用简化为弹 簧， 考虑地震下的响应， 在弹簧的基础上增加了阻尼器以模拟土的阻尼特性。通过集中质量法模拟地震作用下液 化天然气对罐璧的动压力。利用 A N S Y S 有限元分析软件 ， 通过 A P D L 语言建立桩 一 土一 结构整体三维精细模型， 对空罐、 半罐及满罐三种工况进行了分析， 并对基础刚接、 基础隔震及考虑桩土作用及隔震垫三种情况进行了地 震响应对比。 【 关键词】 承台； 隔震垫； 地震响应； 集中力弹簧； 集中质量法 【 中图分类号】 T U 3 1 1 ． 3 【 文献标识码】 A 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 2 0 1 0 0 2 6 0 3 THE S EI S M I C ANAL YS I S oF HUGE LNG TANK Y A N G J i a n - j i a n g ， L I N Y a n g C o l l e g e o f b u i l d i n g E n g i n e e r i n g ， T i a n j i n U n i v e r s i t y ， T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 ， C h i n a A b s t r a c t B a s e d o n c o n c e n e d f o r c e s p ri n g m o d a l o f p i l e s o i l i n t e r a c t i o n P S I u n d e r h o ri z o n t a l l o a d s ，r a i s e d b y L u P e i y a n，s i mp l i f y t h e P S I a s s p ri n g w i th d a mp e r c o n s i d e r i n g s e i s mi c r e s p o n s e ．S i mu l a t e the d y n a mi c p r e s s u r e o f b e t we e n L NG a n d i n t e r n a l t a n k s h e l l b y a d d e d ma s s me t h o d ．ANS Y S s o ft - w a r e i s u s e d t o e r e c t p i l e s - s o i l s t r u c t u r e u n i t a r y 3 D r e f i n e d mo d a l b y AP D L l a n g u a g e ．Co n d i t i o n o f e mp t y t a n k，h a l f t a n k a n d f u l l t a n k a r e a n a l y z e d，a n d the s e i s mi c r e s p o n s e o f ri g i d b a s i s ，rub b e r i s o l a t i o n b a s i s a n d P S 1 wi t h R u b b e r i s o l a t i o n b a s i s a r e c o mp a r e d ． Ke y wo r d s s e i s mi c r e s p o n s e ；c o n e e n t r e d f o r c e s p r i n g；a d d e d ma s s me t h o d 文中通过 A N S Y S有限元分析软件 ， 将桩土间作用简化 为弹簧阻尼器 ， 使用 目前 比较通用的附加质量法模拟储罐 中液固耦合问题。建立了储罐整体三维模型， 对储罐的在 不同边界条件下的地震响应进行了分析。 1 方法及模型 1 集中力弹簧模型 。按照 Z e m o c h k i n 的集中反 力方法 ， 采用一个弹簧代替刚性连杆来模拟集中反力， 该弹 簧的刚度系数 K P ／ △， P代表集中力， △代表位移。因此 合进行优化和调整， 直至不出现超筋现象为止。 2 对于常规结构， 可以直接按照 S A T WE配筋计算 结果进行梁配筋 ， 不用人为加大计算结果进行配筋。如为 了提高安全系数， 在梁跨度大时可以适当加大跨中下铁， 梁 端上铁不必加大。此外， 有的梁在软件计算结果里没有超 筋， 但是设计人员为了安全考虑， 过分加大放大系数， 造成 实际配筋超筋， 应引起注意。 3 有一种观点认为 超筋破坏， 仅仅是造成受压区 混凝土被压碎 ， 而梁本身并没有因为承载力不足而断裂或 垮塌 ， 认为一般来讲不会造成大的工程事故或人员损伤 ， 因 此对于超筋问题掉以轻心。这是不允许的， 虽然梁没有断 裂或者垮塌， 但粱已经破坏。 4 笔者建议通过经济配筋率 矩形梁取 1 ． 0 ％ 一 1 ． 4 ％ ， T形梁取 1 ． 1 ％ ～1 ． 6 ％ 优化梁截面， 不仅材料的性 能得到更好的发挥 ， 而且能减小结构自重。 参考文献 [ 1 ] G B 5 0 0 1 1 2 0 1 0 ， 建筑抗震设计规范[ S ] ． [ 2 ] G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0 ， 混凝土结构设计规范[ s ] ． [ 3 ] J G J 3 - 2 0 1 0 ， 高层建筑混凝土结构技术规程[ s ] ． [ 4 ] 中国建筑科学研究院 P K P M C A D工程部．多层及高层建筑结 构空间有限元分析与设计软件 S A T WE用户手册[ Z ] ． 2 0 1 1 ． [ 5 ] 徐湘涛， 范涛． 钢筋混凝土框架梁超筋现象解决方案[ J ] ．工 业建筑 ， 2 0 0 9 ， 3 9 9 7 4 7 6 ． [ 6 ] 姜学诗．S A T WE结构整体计算时设计参数的合理选取 十 -- [ J ] ． 建筑结构 技术通讯 ， 2 0 1 1 ， 7 1 5 一 l 6 ， [ 收稿日期] 2 0 1 1 1 0 0 9 [ 作者简介] 任海波 1 9 8 3一 ， 男， 安徽望江人， 硕士， 工程师 从事建筑结构设计工作。 杨建江等 大型液化天然气 L N G 储罐地震响应分析 2 7 不同土层用不同的 K代替， 而 K是由习惯上的土力学方法 求变形模量 E得到的。因此， 在水平荷载 口及力矩 作用 下， 长度．己的桩， 其水平反力可分成 ／ ／, 段 r l, L i b ， b为弹簧 间距 的集中力代替， 而集中力是作用于具有刚性系数 的 弹簧上， 弹簧支撑于刚体上 ， 其计算简图如图 1 所示。 图1 计算简图 刚性系数 K的确定 一个弹簧集中力为 ， 则分布于圆 弧单位面积上的压力为 g 。设 g ／ b d ， 即用 b d代替 圆弧面积。由 B o u s s i n e s q 解得到位移△。设 b d 。 △ 丢 。 △ 1 一 口 。 ltl】 式中， E 是土的变形模量及泊松 比， d为桩直径， 是与 b i d有关的形状系数， 当 b ／ d1时， l c ， 0 ． 8 8 ， 当 b ／ d 1 ． 5时 ， 埘1 ． 0 8 ， 当b ／ d 2时 ， 1 ． 2 2 。文中 0 ． 8 8 。在 靠近地表附近的弹簧， 由于边界条件的影响， 其刚度系数应 乘以2 ／ 3 。根据彭津模型的概念， 在动力分析时， 需要考虑 土的振动对桩的影响， 这里引入土附加质量， 采用经验公式 计算， 即假定附加土质量是与承台面积相等， 厚度按相应层 高的土体质量相同， 计算公式如下 M。 p A 其中，P为土体密度； A为承台面积； h为土体厚度。 2 附加质量法 】 。文中采用的附加质量公式基于 H o u s n e r 的理论 J ， 未考虑液体的对流质量， 经典公式给出， 一 般情况下对流质量产生的动压在总动压 中所占比重较 小。本文中使用的方法仅圆柱形均匀厚储罐。 由Ho u s n e r 理论 ， 当储罐受到来 自罐底 方向的水平加 速度 t 时， 罐壁上任一点 ， z 如图2 ， 受到的流体动压 力为 一 I ￡ 【 一 】 t a n 音 。 咖 1 由P一 ， m 可以得 出 m 【 一 c os 2 当储罐同时受两水平正交方向 地震中为南北向和东 西向 激励时， 即 。 [ o t a y ￡ ] 时， 由式 1 推出罐壁上 任一点 ， 受到的总动压力为 p 一 【 一 _ ＼1 [ h - q ， 】 [ 小 an 音 c o s o f ta n s in 】 3 由 P 一／ ／ h a 口 J 以碍 出 [ 一 ‘ 】t趴 co s 【 一 ‘ sin 以上各参数定义见图 2 ， P为储液密度， r 为储罐半径， h 为液位高度。以罐底圆心为原点， 竖直向上为 z 轴建立柱坐 标 系， 则罐壁 匕 的点可用 ． z 表示 。 l ， ＼ 0 ，z ／ 罐 壁 ＼ 图2 参数定义图 3 橡胶隔震垫模型 。叠层橡胶支座恢复力模型 可近似取为双线性恢复力模型， 见图3 。其中， 隔震支座的 双线性恢复力力学模型可以采用单元来模拟， 该单元 引入 双线性的强化模型和粘滞阻尼的影响。单元的常数主要有 K、 、 c 、 F L I D E、 G A P 。K 1 为隔震支座屈服前刚度， 为隔 震支座屈服后刚度， F L I D E为隔震支座屈服力， G A P 0 ， c 为阻尼系数。一个隔震支座 由三个方向的 c o mb i n e 4 0单元 组成。本工程中所选取的 H D S ． A 9 0 0型铅芯隔震橡胶支座， 其主要结构参数如下 橡胶支座直径9 0 0 ra m ， 阻尼比2 0 ％。 橡胶支座的竖向刚度 2 ． 21 0 N ／ m， 竖 向设计承载力为 7 7 0 0 k N， 水平变形为 1 0 0 ％时的水平刚度为 1 ． 2 5 x 1 0 N ／ m， 设计最大水平位移为2 8 0 m m。 F 押一 i 1 ．／ 图3 叠层橡胶支座恢复力模型 2 算例分析 文中所选用的算例为所接触的实际工程， 国内最大的 液化天然气储罐， 容量为 1 6万 m ， 该储罐类型为全容罐 ， 混 凝土外罐内直径 8 2 m， 罐壁厚 0 ． 5 5 m， 高度为 3 9 m， 9 ％镍钢 内罐 直径 为 8 0 m， 底 部 厚 度为 0 ． 0 2 8 5 9 m， 顶部 厚度 为 0 ． O 1 2 m ， 依高度递减 ， 高度为 3 6 m 。内罐与外罐间填充珍珠 岩保温层， 承台下采用桩基础 ， 桩长 3 5 m， 打人中风化岩层。 建模时， 外罐、 内罐、 罐顶以及承台采用 s h e l l 6 3单元 ， 保温层 采用l i n k l 0单元， 以压应力控制开关来模拟保温层的不抗拉 特性。桩基础采用 b e a m 1 8 8 单元， 桩土水平相互作用、 以及 桩周土摩阻力采用弹簧阻尼器单元 c o m b i n e 4 0来模拟。隔 震垫也采用 c o mb i n e 4 0来模拟其双线性特性。 低温建筑技术 2 0 1 2 年第 1 期 总第 1 6 3 期 2 ． 1 建模参数 见表 1 、 表2 表 1 土体静力分析参数 2 ． 2 分析工况 通过 a n s y s 有限元软件建立了基础刚接、 基础隔震及桩 土带隔震垫的模型， 分别分析了空罐、 半罐、 满罐三种工况 在运行基准地震 O B E 和安全停机地震 S S E 作用下的结 构响应， 地震波采用天津波 ， 分析结果如下表 3～表 5 。 表2 土体动力分析参数 表 3 底部剪应力对比 表 4 底部位移对比 m m 表 5 底部加速度 响应对 比 3结 语 通过上述结果， 可以看出， 不考虑桩土作用时， 结构的 地震响应偏大， 主要是由于底部约束造成了应力集中， 因此 在实际设计中， 需要考虑桩土问的相互作用。加入了隔震 垫以后， 虽然位移值大幅增加， 然而在加速度和应力方面却 得到了很好的隔震效果 ， 这对于上部结构是非常有利的， 而 且设置了隔震垫 ， 延长了整体结构的 自振周期， 使其远大于 场地卓越周期， 从而减小了结构的地震响应。在地震活动 区， 建造大型 L N G储罐 ， 应该优先考虑采用此种桩基础形 式， 以节省资源并且保证储罐的安全运行。在设计时， 应采 用不同软件进行分析 ， 并对结果进行对 比， 找出储罐的薄弱 环节， 采取一定的措施以加强储罐的安全储备。 参考文献 [ 1 ] 陆培炎． 横向荷载下土、 桩共同作用的简化法[ J ] ． 广东水电科 技 ， 1 9 9 1 ． [ 2 ] G ． W． H o u s n e r ， D y n a m i c P r e s s u r e s O h A c c d e r a t e d F l u i d C o n t a i n e r s [ J ] ． B u l 1 ．S e i s m ． S o c ．A m， 1 9 5 7 ， 4 7 1 1 5 3 5 ． [ 3 ] 胡盈辉． 庄 茁， 由d , J t 1 ． 大型储液 罐在地震作用下 的附加 质量 法研究[ J ] ． 压力容器， 2 0 0 9 ， 8 ． [ 4 ] 李冬梅． 某核电站安全壳的隔震地震反应分析[ D ] ． 哈尔滨 哈尔滨 工程大学 ， 2 0 0 7 ． [ 5 ] 李扬 ， 李 自力 ， 张艳．铅芯橡胶支座隔震储罐地震响应特性分 析[ J ] ． 工程抗震与加固改造， 2 0 0 9 ， 6 ． [ 收稿日期】 2 0 1 1 0 8 3 l [ 作者简介] 杨建江 1 9 5 6一 ， 男， 天津人， 博士， 教授 ， 从事钢 筋混凝土结构教研。