位移谐波激励下拱顶锚固储罐的动力屈曲研究

地震下储罐罐壁发生屈曲是其主要的震害形式,研究储罐的动力屈曲特性尤为重要.以位移简谐波为水平激励,运用ADINA有限元软件对高径比分别为0.82、1.24和1.85的3种拱顶锚固储罐进行动力屈曲分析.根据Budiansky-Roth动力屈曲准则,通过谐波位移幅值对应的加速度峰值PGA和储罐位移响应,绘制特征节点的"伪平衡路径"轨迹,以确定临界加速度峰值,判断储罐动力屈曲.3种储罐模型在位移谐波激励下均为弹性屈曲.通过动力屈曲分析得出结论:储罐屈服的位置随高径比的不同有所不同,屈服多发生在径向变形最大处,罐壁内外面的塑性总应变值和屈服应力值大小不同等.最后以储罐模型B为例,将以"伪平衡路径"轨迹确定的临界应力与规范公式的计算结果进行了比较.     

立式浮顶储罐并联基础隔震模拟地震振动台试验研究

立式浮顶储罐在强震作用下会发生罐壁屈曲、卡顶、浮顶下沉等震害。为降低储罐地震响应,以1 000 m3储罐为原型,按1:5的几何相似比设计缩尺模型,并以隔震周期为0.5 s进行并联隔震装置设计,给出其力学本构关系。采用模拟地震振动台试验方法,选取四种不同频谱特性的地震动对模型罐进行地震响应分析,结果表明:隔震层顶部加速度卓越频率有所降低,周期延长;隔震后储罐加速度、层间位移及动应力地震响应明显降低,但晃动波高有所放大;三向地震激励与单向地震激励相比,加速度地震响应明显放大,对晃动波高影响较小。建议储罐抗震减震设计时应考虑三向地震作用。     

立式储罐钢筋环梁基础隔震模拟振动台试验研究

为降低储罐隔震基础的工程造价,构建出应用于储罐的钢筋环梁隔震基础。同时针对1 000 m3储罐,根据相似比理论设计1∶5缩尺模型,以隔震周期为0.5 s设计环梁隔震基础。选取四种不同频谱特性的地震波,采用振动台试验方法,对模型罐进行加速度、位移以及晃动波高等地震响应分析,并与储罐基础隔震基本理论和有限元数值仿真分析方法进行对比。结果表明:钢筋环梁隔震基础能够有效降低储罐的地震响应,但晃动波高有所放大;三向地震激励与单向地震激励相比,加速度地震响应明显放大,但对晃动波高影响较小。试验解、理论解和有限元解三者互相验证。建议储罐隔震设计应考虑三向地震激励的影响,但晃动波高可仅按水平地震作用计算。     

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。     

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。     

近场地震作用下大型储罐三维隔震地震响应分析

为研究近场多维地震作用下三维隔震储罐的动力响应,采用ADINA软件建立了15×104 m3储罐的有限元模型,选取弹簧单元模拟三维隔震支座,分别输入水平与竖向的近场地震动,定量分析了其动力响应。分析结果显示:对于大型储罐应当考虑竖向地震作用;三维隔震装置可以有效降低储罐的动力响应,但是对晃动波高无控制效果;近场竖向地震作用下的晃动波高幅值很小,实际工程中可以忽略不计。     

近场地震下立式隔震储罐试验研究及理论分析

针对近场地震激励下隔震储罐响应的问题,采用简化后的三质点力学模型,分别对铅芯橡胶支座隔震储罐模型在近、远场地震作用下的响应进行了对比分析,并将理论分析结果和振动台试验结果进行了对比。对比结果显示,理论分析得出的加速度响应与振动台试验结果相近,但理论分析结果会略微偏小。进一步的理论分析结果表明:近场地震下基础隔震能有效降低储罐的基底剪力和基底弯矩,而晃动波高有所增大;隔震后储罐加速度峰值位于液固耦合质点附近。     

立式储罐滚动隔震地震模拟振动台试验研究

为了降低强震作用下立式储罐的地震响应,根据机械动力学原理设计了滚动隔震装置,同时,根据相似比理论设计了原型为1 000 m3储罐的1∶4缩尺滚动隔震储罐模型。选取3条位移波作为地震动输入,对滚动隔震储罐模型进行地震模拟振动台试验。试验结果表明:滚动隔震后结构体系的基本周期被拉大,避开了地震动的卓越频率;滚动隔震后沿罐壁高度方向加速度峰值降低明显,减震率最高可达75%;罐壁环向应力在储罐的底部和中上部最大,轴向应力在储罐的底部最大,隔震后均有较大降低,隔震效果明显;不同地震动的隔震效果不同,El Centro波的隔震效果最好,同种地震动作用下随着地震能量的加大,隔震效果降低;滚动隔震不能有效降低晃动波高。建议实际工程应采取控制晃动波高的措施。     

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。     

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。