15×10~4m~3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。     

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。     

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。     

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。     

考虑SSI效应的15×10~4 m~3储罐基础隔震数值仿真分析

为考虑土与结构相互作用(SSI)对15×104m3大型立式储罐基础隔震效应的影响,采用弹簧-阻尼系统模拟地基土和隔震层,罐壁及底板采用壳单元,流体采用势流体单元,利用ADINA建立15×104m3储罐有限元模型,在峰值加速度0.2g El Centro波地震激励下,应用Newmark数值积分方法进行地震响应分析,结果表明:考虑SSI效应时,非隔震储罐的地震响应有所减小,而基础隔震时地震响应有放大效应。储罐抗震减震设计时,中软地基土上储罐从结构设计安全角度来说需要考虑土与结构的相互作用。     

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。     

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.     

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.     

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。     

地震作用下立式储液罐罐壁“象足”变形仿真分析

基于ANSYS软件建立了考虑液体晃动和罐底提离立式储液罐有限元模型,分别进行了水平地震和竖向地震作用下罐壁“象足”变形分析。分析表明:立式储液罐罐壁“象足”变形主要是由罐壁纵向压应力超过临界应力而产生的局部屈曲破坏,并非强度破坏。因罐底提离导致的罐底与基础反复撞击加大了作用在罐壁上的应力,使罐壁底部“象足”变形不断发展,最终导致罐壁撕裂。在完全相同地震加速度作用下,水平地震作用比竖向地震作用罐壁更早更容易进入屈曲状态,产生“象足”变形。     

地震作用下立式储液罐罐壁"象足"变形仿真分析

基于ANSYS软件建立了考虑液体晃动和罐底提离立式储液罐有限元模型,分别进行了水平地震和竖向地震作用下罐壁"象足"变形分析.分析表明:立式储液罐罐壁"象足"变形主要是由罐壁纵向压应力超过临界应力而产生的局部屈曲破坏,并非强度破坏.因罐底提离导致的罐底与基础反复撞击加大了作用在罐壁上的应力,使罐壁底部"象足"变形不断发展,最终导致罐壁撕裂.在完全相同地震加速度作用下,水平地震作用比竖向地震作用罐壁更早更容易进入屈曲状态,产生"象足"变形.     

地震作用下储液罐的动力和稳定分析

本文分两部分:1.联合应用有限元和边界积分法对带顶盖的圆柱形储液罐进行自振分析,并用反应谱方法求地震反应。研究了顶盖、静水压力等因素对各阶环向振型频率的影响和罐体自身质量、液面以上罐体刚度对包含有cosθ的振型的频率和地震内力的影响,建议了一个计算拱顶罐动力反应的简化模型。2.在此基础上,用有限元-级数展开法对水平地震作用下的储液罐的稳定性作了探讨,讨论了环向内力和平错内力对储液罐稳定性的影响以及液面附近罐壁失稳的现象,对目前规范中有关储液罐稳定验算方法作了评价。两部分的计算结果与试验结果作了比较。     

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。     

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。     

地下储液罐抗爆炸地冲击作用的流固耦合有限元分析

储液罐的抗震性能虽然得到了较为深入的研究,但对其抗爆炸产生的地冲击作用的研究还十分罕见。本文通过建立流固耦合的数值分析模型,研究爆炸地冲击作用下地下立式储液罐的动力特性,包括储液晃动波高、罐壁的应力和应变、底板的提离和浮放储液罐的“象足”变形产生原因及破坏机理等。研究结果表明,储液罐在爆炸地冲击荷载和地震荷载作用下的动力响应有明显区别,地震荷载作用下的储液罐抗震验算方法不适用于爆炸地冲击荷载。     

地震作用下储罐与管道连接波纹管的动力响应

针对储罐与管道连接这个抗震薄弱环节进行研究，考虑了储罐与地基、管道与地基的相互弹性作用及流固耦合作用，使计算模型比较符合工程实际情况。将储罐罐壁看作为刚体，将波纹管部分和管道部分分别用旋转锥壳单元和空间梁单元离散化，通过分析得到波纹管与储罐连接接合面、波纹管与管道连接接合面不同单元之间的位移协调约束方程，并用罚函数法进行处理。根据流体力学速度势理论和有限元法的基本理论，利用哈密尔顿变分原理推导出储罐与管道连接波纹管系统动力分析方程，编制了系统动力分析有限元程序，计算了垂直地震激励不同场地土地基条件下储罐与管道连接波纹管位移响应。     

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。     

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。     

水平地震激励下储罐液体晃动与提离分析

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液面晃动及储罐提离反应进行了分析。结果表明:罐内液体的晃动是长周期运动,其周期受地震动影响。无论是小体积罐还是大体积罐,在一定的地震烈度下均可以发生提离,而且储罐发生提离的时刻大多数是在地震动的峰值过后的一段时间内。大体积的储罐的提离明显小于小体积的罐。底板提离区域为月牙形。