15×104m3储罐的动特性分析

立式钢制圆柱形储罐向着大型化和浮放式发展,其动力特性参数,如结构的固有频率和固有振型,在地震工程中经常被使用,以15×104m3储罐为例,应用ADINA有限元程序,采用弹簧单元来模拟地基,考虑液固耦合效应对其进行了模态分析.结果表明:采用弹簧单元来模拟地基进行储罐的分析时,有限元与规范近似算法比较接近;15×104m3储罐液固耦合振动低频的振动形式比较丰富,以 cosnθ、sinnθ型梁式振动为主,液体晃动低频的振动形式比较单一,即cosnθ、sinnθ型梁式振动;液固耦合振动频率对地基刚度最为敏感,储液高度与储罐高径比次之,受罐壁厚度的影响比较小;液体晃动频率对罐壁厚度和地基刚度不敏感,对储液高度与高径比则比较敏感.     

15×10~4m~3立式储罐隔震设计分析

为了研究15×104m3立式储罐隔震设计影响因素,采用有限元数值仿真技术,分析了隔震刚度、浮顶质量、储液密度、罐壁厚度、罐壁的材料弹性模量、储液高度与罐半径比值对储罐的晃动频率和液固耦合频率的影响并与时程分析对照。结果表明:储罐液固耦合振动频率对隔震刚度敏感,隔震刚度较低时,液固耦合刚度的下降,使基底剪力变小;隔震刚度对储罐的液体晃动频率的影响不大,在一定的隔震周期范围内,波高无放大效应;隔震设计时,浮顶的影响可忽略;储液高度与储罐半径比对储罐的液固耦合频率和晃动频率影响较大,隔震设计时存在优化段;储液密度、罐壁厚度、材料弹性模量,隔震设计时可不考虑其影响,进行地震动台实验时,可考虑用其他材料代替钢材,不影响分析结果。     

在地面水平振动作用下储液罐的辐射阻尼

本文研究储液罐在地面水平振动时的辐射阻尼。为了与现行规范相适应,提出了两个质点的数学模型。上部结构的梁式基本周期按项忠权提出的公式计算,并由此导出了储液罐的结构刚度系数。文中所考虑的地基阻抗系数按Veletsos的动力方法计算,是激振频率的函数。数值计算表明:考虑土与结构相互作用影响后储液罐与液体耦联振动的阻尼比由2％增加到3.08％—28.42％,软弱地基上的辐射阻尼远大于结构阻尼。     

大型储液罐摩擦摆基底隔震控制分析

针对弹性钢制圆柱储液罐,基于Haroun-Housner模型,将连续流体质量等效为3种集中质量,分别为:对流质量、脉冲质量和刚性质量,与这些集中质量连接的相应刚度取值依赖于储罐壁和流体质量.在水平地震激励下,在储罐底部加摩擦单摆支座,给出了简化的液体 - 储罐-隔震支座的力学分析模型,建立了摩擦摆支座基底隔震体系的振动控制方程,并利用Newmark逐步积分法对控制方程进行了数值求解,研究了摩擦摆支座基底隔震的储液罐地震反应,验证了FPB隔震的有效性.     

土与结构相互作用对储罐地震响应的影响

为了研究土与结构相互作用对储罐地震响应的影响,基于Haroun-Housner模型,将地基土考虑为平动和转动的弹簧阻尼体系,将储罐结构体系简化为三质点四自由度力学模型,来研究储罐的地震响应受地基土弹性的影响。分析结果表明:与刚性基础相比,考虑土与结构的相互作用时储罐的基底剪力、倾覆力矩和晃动波高均有放大效应,且与储液高度与半径比相关,为获得理想的地震响应储液高度与半径比存在优化取值区间。     

竖向地震作用对储液罐地震响应的影响分析

地震作用下大型储液罐的安全问题日益引起重视。基于ANSYS软件建立储罐液体耦合有限元模型,考虑罐底非线性接触效应,以El-Centro南北向和竖直向记录地震波为输入,研究水平激励以及水平和竖向同时激励两种工况下储罐的动力响应。研究结果表明,两种工况下靠近罐底1.2m处均发生了"象足"变形,竖向激励下水平相对位移增加了14%。竖向激励使得罐壁环向应力和轴向压应力均有不同程度的增加。竖向地震激励对液面的竖向晃动影响较小。储液罐底板在地震作用下发生了竖向提离和永久滑移,竖向激励时增长幅度均在10%左右。同时罐体基底剪力在竖向地震作用下也有所增大。储罐抗震设计时应考虑竖向地震分量的影响,研究结论可为立式储罐的抗震设计提供一定的参考和依据。     

立式储罐与地基相互作用动力特性分析

立式储罐结构在工程实际中得到广泛的应用。本文以某大型立式储罐结构为例,考虑到液体、结构、地基的相互作用与影响,同时考虑地基与结构及液体与结构的耦合问题,采用有限元方法对浮放在地基上的储罐结构进行了自振特性计算。分别计算了满罐和空罐时系统的频率以及所对应的振型图,并研究了储罐的材料参数和地基刚度对动力特性的影响。结果表明:材料参数的影响较小,地基刚度的影响较大,对盛满液体与空罐的影响不同。     

核电结构PCS水箱液动压力分析等效模型

中国核电厂抗震设计规范推荐采用的Housner模型不适用于复杂形状核电储液结构的流固耦合分析。对于AP1000和CAP1400核电站屏蔽厂房顶部非能动安全壳冷却系统重力水箱(简称PCS水箱),基于圆柱形水箱的Housner等效质量-弹簧模型,通过引入水箱体积修正参数,提出PCS水箱的三维等效质量-弹簧模型。采用有限元软件ADINA建立水箱结构流固耦合整体有限元模型以进行模态分析,计算分析PCS水箱和对应环形水箱在不同尺寸和液体深度条件下的液体晃动自振特性。对比整体有限元模型与三维等效质量-弹簧模型计算结果发现,提出的PCS水箱三维等效质量-弹簧模型能给出其内液体晃动各阶振型的液动压力合理估计值,适用于具有复杂形状的PCS水箱液动压力分析。本文的等效模型方法可推广应用于其他复杂形状水箱的液动压力分析。     

考虑桩土作用的储罐模拟地震振动台试验

为研究考虑桩土相互作用的储液罐的动力响应及长周期地震波对储液晃动、储罐提离的影响,根据量纲分析法设计了桩-土-储罐模型进行了振动台试验。试验中采用4条基岩波、4条地表波进行振动台试验。试验显示基岩波与地表波输入时,体系变化规律基本一致,其结果表明:土体地表加速度被放大,且输入加速度峰值增加,地表加速度放大倍数减小;一般地震波时,随着输入加速度峰值的增加,储液晃动波高大致呈线性增加。长周期地震波下则为非线性增加,且晃动波较大。此外,液体产生的晃动波高与储罐类型相关。细高型储罐产生的波高稍大;储罐提离高度随着输入加速度峰值的增加呈非线性增长。长周期地震波激励下,储罐提离高度小于一般地震波时的提离高度。细高型储罐在长短周期地震波激励下,提离高度较为接近,而一般储罐在两种地震波激励下,提离高度相差较大。细高型储罐提离高度大于一般储罐的提离高度。建议在储罐设计时考虑长周期地震波的影响。     

大型立式储罐滚动隔震限位研究

为了避免立式储罐自复位滚动隔震体系的支座位移过大导致支座失效,同时达到在不同地震动作用下,减震效应明显的目的,设计了一种变刚度限位滚动隔震装置,以便适应地震动特性变化以及储液高度变化的影响。利用有限元分析软件ADINA进行数值仿真分析,采用弹簧-阻尼系统模拟隔震层,非线性弹簧单元模拟限位装置,流体采用势流体单元,罐壁采用壳单元,建立15×104m3储罐模型。在加速度峰值为0.4 g不同地震动激励下,尤其是近断层长周期地震作用下,对加入限位装置前后储罐的地震响应进行对比,结果表明:采用限位装置后,支座位移得到明显控制,基底剪力、基底弯矩以及动液压力却都有不同程度的放大,但相比非隔震情况下仍有较好的隔震效果,晃动波高略有增大。建议在采用变刚度滚动隔震措施时,可考虑综合减震方案,优化减震效果。     

夹层橡胶支座参数对大型LNG储罐地震响应的影响

利用ADINA软件建立董家口16万立方米LNG储罐的有限元模型,在模型中分别设置不同水平刚度、不同隔震频率和阻尼比的夹层橡胶垫作为储罐的隔震装置。对比了隔震前后储罐的位移和加速度反应的变化,同时分析了采用不同隔震参数支座的储罐在液固耦合作用下,储罐内部液面晃动的变化情况。结果表明:夹层橡胶支座的水平刚度对储罐隔震效果的作用不明显,但夹层橡胶支座的隔震频率和阻尼比对储罐隔震效果的影响显著。隔震频率和阻尼比越大,对内外罐位移和加速度的控制效果越明显。因为基底剪力、基底倾覆弯矩和动液压力会增大,而且隔震装置会放大储罐的晃动波高,所以在选取隔震支座时,要综合考虑储罐高径比、隔震支座的隔震频率和阻尼比等参数,选取最优组合,从而达到最佳的减震效果。     

隔震立式储罐地震反应谱分析

基于反应谱理论,研究了的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,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.与时程分析对比,验证反应谱法的适用性,分析隔震立式储罐的地震响应并研究主要参数对隔震储液罐地震响应的影响,主要考虑的参数有:(1)场地类别;(2)隔震周期;(3)高径比.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.     

考虑SSI效应储油罐的子结构实验方法与数值模拟

提出了应用振动台子结构试验方法来研究考虑土-结构相互作用（SSI）效应储罐的抗震性能,该方法将土体简化为双自由度八参量集总参数模型进行模拟,储罐作为试验子结构应用振动台加载,两部分联机完成振动台子结构试验。该方法能完成大比例尺储罐试验,具有传统试验方法难以比拟的优势。然后,通过数值模拟分析了SSI效应对储罐动力响应的影响。分别研究了不同储液高度和不同地基刚度对储罐位移和加速度响应的影响。研究结果表明：考虑SSI效应时,罐体位移响应和加速度响应均有所减小,土质越软,效果越明显;随着储液高度的增高,位移、加速度反应呈现减小趋势。     

地面式钢筋混凝土水池自愈、渗漏试验及地震响应分析

钢筋混凝土水池在供水系统中承担着净水、储水的重要功能,是典型的储液结构。裂缝的出现会加速钢筋锈蚀、降低结构耐久性,且结构设计中裂缝宽度限值很大程度上决定了配筋量。水池在地震作用下易出现裂缝,裂缝可能导致储液渗漏,造成水池服务功能下降甚至丧失,并在一定程度上影响整个系统的功能。震后储液结构的裂缝开展情况及由此导致储液渗漏程度是评判水池地震破坏等级的主要标准。目前,已有研究成果表明,混凝土裂缝在与水接触条件下会发生自愈使原有裂缝宽度减小,水池由于储水为裂缝的自愈提供了必要条件。因此,应考虑承载力、耐久性、服务功能、经济性、裂缝自愈性能及震后维修加固可行性等因素综合确定水池结构设计和地震破坏等级划分标准中的裂缝限值。储液结构在地震作用下存在液固耦合效应且液体会发生晃动,储液的存在改变了结构的动力特性和地震响应。水池结构除受到结构本身惯性力和静水压力外,其底部和侧壁还承受液体在垂直壁面方向上产生的动水压力。水池在抗震设计中需考虑液面晃动和动水压力的影响。现阶段,对钢筋混凝土水池裂缝自愈性能、渗漏特性及水池在地震作用下的液固耦合动力特性和地震响应的研究尚不完善。本文通过钢筋混凝土水池壁板弯曲裂缝和贯通裂缝自愈、渗漏试验研究混凝土裂缝的自愈性能及渗漏特性,采用大型有限元软件ADINA进行圆形水池地震响应分析,研究液固耦合系统的动力特性、储液晃动、动水压力及破坏特征等。论文主要完成了如下工作:(1)设计并完成了钢筋混凝土水池壁板弯曲裂缝和贯通裂缝的自愈及渗漏试验。进行了材料性能试验;对静水环境中弯曲微裂缝、流动水环境中贯通裂缝的自愈性能进行了测试,给出了弯曲微裂缝在静水环境中短期内的自愈合宽度,证实了贯通裂缝在流动水环境中仍会发生自愈合;在裂缝上施加实际水头作用测试了弯曲裂缝和贯通裂缝的渗漏特性,研究了弯曲裂缝宽度、受压区高度及作用水头对液体渗漏的影响,分析了贯通裂缝水的渗漏率与累计时间和水头高度之间的关系。通过试验得到裂缝特性与自愈及渗漏之间的关系,为水池结构设计和地震破坏等级划分提供参考。(2)对地面式圆形水池进行了液固耦合动力特性分析,液固耦合系统包括刚体模态、储液晃动模态和液固耦联振动模态3种形式。研究了储水高度、水池半径、液体表面重力波对液固耦合系统动力特性的影响。此外,对比了圆形水池储液晃动频率的理论和有限元计算结果,验证了模型的可靠性,且推导得到圆形水池储液晃动基本周期计算公式。(3)分析了单向水平地震作用下不同水池半径、不同储水高度圆形水池的液面最大晃动波高,拟合得到了圆形水池单向地震作用下的液面最大晃动波高计算公式。公式可用于储液结构地震作用下的最大晃动波高估计和储液结构最大晃动波高设计。结合储液结构长周期抗震设计反应谱和阻尼比修正系数,提出了储水水池液面最大晃动波高计算方法。(4)研究了单向水平地震作用下,不同水池半径、不同储水高度圆形水池池壁、底板环向和径向位置的动水压力数值及分布情况,并与理论计算结果进行了对比;分析了地震动峰值加速度、储水高度、水池半径对动水压力的影响;确定了对流压力与脉冲压力的叠加方法;拟合得到对流压力、脉冲压力及动水压力计算公式;结合底板环向动水压力分布,综合给出单向水平地震作用下圆形水池动水压力标准值,与较复杂的理论计算方法和仅考虑脉冲压力的规范法相比,计算更简便且与实际相符。此外,还分析了液面和池底动水压力的时程变化。(5)进行了双向水平地震动作用下圆形水池的地震响应分析,提取了液面最大晃动波高和动水压力计算结果;基于单向水平地震动作用下的响应结果,通过合理的组合方式给出了双向水平地震动作用下的液面最大晃动波高和动水压力计算公式,建立了双向水平地震作用下储水水池液面最大晃动波高和动水压力计算方法;并对双向水平地震作用下圆形水池地震破坏特征和易损性进行了分析。     

水平地震作用下无锚固储罐应力与应变响应分析

在考虑地基与储罐相互作用的情况下,采用有限元法对储罐在水平地震荷载作用下的应力及应变反应进行了数值计算。对3×104m3和2×103m3罐壁应力及应变的分析结果表明:环向、轴向应力及应变的分布形式呈现出明显的下部大上部小的特点,在偏底部的位置出现应力和应变的峰值;储液罐在水平地震作用下“象足”变形是由纵向压应力达到屈曲临界应力导致的屈曲破坏,不是强度破坏,即破坏属于失稳破坏而非强度破坏。     

考虑桩土-隔震层-罐体相互作用的隔震储罐地震响应分析

为了研究桩土、隔震层与罐体相互作用对15×104m3隔震储罐地震响应的影响,桩与隔震层采用弹簧-阻尼单元,罐体采用壳单元,流体采用势流体单元,基于ADINA建立数值仿真分析模型,在8度E1 Centro地震动激励下,应用Newmark数值积分方法进行地震响应分析.结果表明:隔震储罐基底剪力和基底弯矩相对于非隔震储罐明显降低,储罐罐壁加速度沿罐壁高度方向近乎平动,但对波高的控制效果不明显;除罐壁顶部外,动液压力明显降低;隔震后,罐壁有效应力和环向应力减震效应明显,对轴向应力和径向应力影响较小,建议从安全角度考虑,储罐非隔震设计时不考虑桩土作用,隔震设计时考虑桩土对罐体的影响.     

位移谐波激励下拱顶锚固储罐的动力响应分析

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AD INA有限元软件对一座3 000m3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。     

双相介质分界面上弹性波的反射与透射

本文基于Biot理论,推导出Zoeppritz形式的双相介质分界面上弹性波的反射与透射公式,对单相Zoeppritz公式与双相反射系数公式进行了比较,对双相介质含油、水、气不同流体时的反射规律以及孔隙度、渗透率、饱和度等储层参数对纵波反射的影响进行了研究.数值模拟分析表明,双相与单相反射公式的主要差异在于双相介质反射公式中考虑了液相、固液耦合相弹性模量的影响;油砂、水砂、气砂岩的慢P波反射差异明显;快P波反射对孔隙度的变化敏感,饱和度次之,对渗透率和频率的变化不敏感.     

流体饱和半空间二维地形三分量弹性波散射间接边界元模拟

无限长局部地形地震波斜入射响应问题称为二维三分量问题,在计算量远小于三维的情况下,一定程度上反映了近地表场地的三维动力响应特征.基于天然土体的成层性及固液两相耦合特性,以层状多孔介质内部移动线荷载(孔隙水压)动力格林函数作为基本解,开展流体饱和半空间二维地形三分量弹性波散射的2.5维间接边界元模拟研究.总场响应由自由波场和散射波场叠加构成,前者可由直接刚度法求得,后者则通过施加移动虚拟均布荷载和移动虚拟孔隙水压所产生的动力响应来模拟.该方法优势在于离散仅限于地形底边界(无须离散自由地表),格林函数计算不存在奇异性(荷载可直接加在边界上),容易控制计算精度,对复杂边界条件具有很强的适应性.在退化验证和精度比较的基础上,以梯形凹陷和半椭圆沉积地形为例,模拟了时域和频域的流体饱和半空间三维弹性波散射响应.研究表明:局部地形的地震动响应依赖于入射频率、入射角度、边界透水条件、土层刚度和土层厚度等,入射波、反射波和散射波相互干涉,极大延长了位移的振动持续时间.