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斌傅
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1 第 25 卷第 2 期北京石油化工学院学报 Vol.25 No 年 6 月 JournalofBeijingInstituteofPetrochemicalTechnology Jun.2017 췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍文章编号 : (2017) 近断层地震动下大型立式隔震储罐的地震响应分析郝进锋 1,2, 姜月利 1,2*, 祝庭 1,2, 高小波 1,2 (1. 东北石油大学土木建筑工程学院, 黑龙江大庆 ; 2. 黑龙江防灾减灾及防护工程重点实验室, 黑龙江大庆 ) 摘要 : 以 I 类场地的 15 万 m 3 立式圆柱形浮顶储罐为例, 在储罐底部安装滚动隔震装置, 输入 Kobe 地震波汶川地震波和集集地震的 2 条地震波共 4 条近断层地震波, 采用时程分析中的 Wilsoṉθ 法, 通过对比分析计算储罐在传统抗震和隔震时的基底剪力基底弯矩和晃动波高, 研究滚动隔震储罐在近断层地震动作用下减震效果 ; 通过设置不同的隔震层阻尼比来研究隔震层在近断层地震动作用下的位移结果表明 : 基底滚动隔震装置可以有效降低储罐的基底剪力和基底弯矩, 但对晃动波高的减震效果不太理想 ; 隔震层上下层之间的层间位移差异较大, 应采取综合措施, 防止滚动隔震装置失效关键词 : 立式圆柱浮顶储罐 ; 近断层地震动 ; 滚动隔震 ; 地震响应中图分类号 :TU352.1 文献标志码 :A DOI: /j.issn RolingIsolationofLargeVerticalStorageTanks UnderNear-faultGround Motions HAOJinfeng 1,2,JIANG Yueli 1,2*,ZHU Ting 1,2,GAO Xiaobo 1,2 (1.ColegeofCivilandArchitectureEngineering,NortheastPetroleum University,Daqing163318,China; 2.HeilongjiangKeyLaboratoryofDisasterPrevention,Mitigationand ProtectionEngineering,Daqing163318,China) Abstract:Takingtheverticalcylindricalfloatingrooftankof150000cubicmetersinclass Isite astheexample,arolingisolationdeviceisinstaledatthebotom ofthetank.fourneaṟfault seismicwavesofkobeseismicwave,wenchuanearthquakeandtwowavesofchi-chiearthquake areinputed.usingthe Wilsoṉθ methodoftimeẖistoryanalysis,theseismicisolationefectof therolingisolationtanksundertheneaṟfaultground motionisstudiedviacomparingthebase shearforce,thebasemomentandthesloshingheightofthetankduringthetraditionalseismic andseismicisolation.bysetingdiferentisolationdampingratio,thedisplacementofisolation layerinneaṟfaultground motionisanalyzed.theresultsshowthatthebaserolingisolation devicecanreducethebaseshearandthebase momentefectively,butthevibrationdamping efectofsloshingheightisnotideal.theinterlayerdisplacementbetweentheupperandlower layersoftheisolationlayerisrelativelylarger,andthecomprehensivemeasuresshouldbetaken topreventthefailureoftherolingisolationdevice. 收稿日期 : 基金项目 : 中国石油科技创新基金项目 (2016D ); 黑龙江省教育厅科研专项 (2016YSFX-02) 作者简介 : 郝进锋 (1968 ), 男, 博士, 教授, 硕士生导师, 主要从事油气田防灾减灾工程和防护工程方面的研究工作, hjf_0459@126. com; 姜月利 (1992 ), 女, 硕士研究生, 研究方向为结构工程, 通讯联系人, @qq.com

2 第 2 期郝进锋等. 近断层地震动下大型立式隔震储罐的地震响应分析 49 Keywords:verticalcylindricalfloatingrooftank;neaṟfaultground motion;rolingisolation; seismicresponse 在大震情形下, 一般将断层周围不超过 20km 的区域作为近断层的研究范围近些年, 近断层地 [1-10] 震研究也逐渐增多近断层地震动的基本特征表现为 : 强地震动的集中性, 地表破裂和地面永久变形, 方向性效应和长周期效应, 滑冲效应, 竖向地震动效应, 上盘效应由于近断层地震的震源机制不同, 地震波衰减也不同, 近断层地震动与中远场地震动相差较大, 近断层地震动往往具有明显长周期和脉冲型的特征, 具有较大的位移, 这对长周期结构的地震响应是十分不利的对于大型立式储罐结构, 晃动周期一般比较长, 在近断层地震作用下, 能否保证储罐的安全, 免遭地震破坏是当前研究的重要课题另外, 采用滚动隔震装置的储罐的减震机理就是增大储罐自振周期, 从而避开地震动的特征周期, 到达降低地震响应的目的, 因隔震后储罐的周期较长, 隔震储罐在近断层地震动作用下, 是否达到隔震效果 ; 且当隔震层阻尼比不同时, 隔震层的位移是否使隔震装置失效等问题也是值得研究的课题为此, 笔者以 15 万 m 3 大型圆柱形立式浮顶储罐为例, 研究储罐在滚动隔震和传统抗震情况下, 受到近断层地震动作用时的地震响应, 并分析滚动隔震装置在近断层地震作用的减震效果同时, 利用设置滚动隔震装置不同的阻尼比, 分析隔震层在近断层地震动作用下的位移大小 1 隔震储罐力学模型的建立以流体力学速度势理论为基础, 将储罐内部液体假定为理想流体 ; 隔震层设置在罐底与地基之间, 隔震层仅传递水平位移 x 0 (t), 其水平刚度为 k 0, 阻尼为 c 0 ; 在罐底部输入地震波的加速度 ẍ g (t); 考虑浮顶影响, 假定浮顶为单位面积的质量为 m 的均质刚性圆板 ; 柔性储罐壁振动位移 w(θ,z,t); 忽略罐体的摆动 ; 建立储罐刚性脉冲液固耦联和晃动三质点简化力学模型, 如图 1 所示, 其运动方程参见文献 [11] m c H c 分别为改变上部自由液体表面的对流质量等效质点距离罐底部的高度 ;m i H i 沿罐壁振荡中间液体的液固耦联质量等效质点距离罐底部的高度 ;m o H o 分别为沿罐壁做刚性运动液体的刚性质量等效质点距离罐底部的高度 x 0 (t) x i (t) x c (t) 和 x g (t) 分别为基础滑移位移液固耦联位移对流晃动位移和地面运动位移图 1 隔震储罐简化力学模型分析 Fig.1 Thesimplifiedanalysismechanicalmodelofisolated storagetank 2 近断层地震动下的地震响应研究 15 万 m 3 立式储罐在近断层地震作用下的地震响应, 采用时程计算方法计算滚动隔震储罐和传统抗震储罐在 Kobe 地震波汶川地震波和集集地震波等近断层地震波激励下的地震响应, 绘制储罐地震响应的时程曲线, 对比分析隔震储罐和传统抗震储罐的基底剪力基底弯矩和晃动波高等地震响应 15 万 m 3 大型圆柱形立式储罐的基本参数如下 : 直径 D=96.00m, 高度 L=22.80m, 液体高度 H w =21.00m, 底圈壁板厚度为 40.00mm, 边缘板厚度为 23.00mm, 中幅板厚度为 11.00mm, 主要材料为 SPV490( 日本材料 ) 2.1 参数选择地震波采用 1995 年日本阪神地震 Kobe 地震波,1999 年台湾集集地震采集到的地震波,2008 年汶川地震采集到的地震波作为地震震动输入其中台湾地震波有 2 条地震波, 其采集点到地震断层的距离均小于 15km, 场地类别选择 Ⅲ 类场地, 即中软场地, 按 Ⅸ 度设防地震调整 4 条地震波通过地震响应随隔震频率的变化曲线和储罐加速度反应谱值随结构周期的变化曲线选择较优的隔震周期进行计算, 在此设置隔震装置不同的隔震周期分析隔震与传统抗震储罐的基底剪力基底弯矩和晃动波高, 因基底弯矩和基底剪力变化趋势一致, 在此只列出基底剪力和晃动波高的变化曲线, 如图 2 所示 ;4 种地

3 50 北京石油化工学院学报 2017 年第 25 卷震波下储罐的加速度反应谱曲线如图 3 所示图 2 地震响应随隔震周期变化曲线 Fig.2 Theseismicresponsevarieswiththeisolationperiod 图 3 加速度反应谱曲线 Fig.3 Accelerationresponsespectrumcurves 由图 2 可以看出, 随着隔震周期的增加, 隔震后储罐的基底剪力和晃动波高都在减少, 但在汶川地震波作用下储罐基底剪力在 T=3s 后趋于稳定由图 3 可以看出,4 种近断层地震波作用下, 储罐在 T=3s 后加速度反应谱值的下降量减少, 曲线平缓同时, 考虑隔震周期越长, 隔震装置越柔 : 一方面恐不能支撑竖向荷载力, 另一方面在小震及风载下难以控制储罐的稳定所以, 选择 T=3s, 阻尼比 ξ=0.1 进行计算 2.2 储罐结构的地震响应采用 Wilsoṉθ 法分别计算 15 万 m 3 隔震储罐在上述 4 种地震波作用下的基底剪力基底弯矩和晃动波高等地震动力响应因基底弯矩的时程曲线与基底剪力的时程曲线基本一致, 为节省篇幅, 只给出储罐在 4 种地震波下的基底剪力和晃动波高的时程曲线对比图, 如图 4 所示, 储罐的基底剪力基底弯矩和晃动波高等地震响应最大值及减震效果如表 1 所示由图 4 和表 1 可以看出, 在地震响应方面,15 万 m 3 储罐在不同地震波作用下的地震响应不同就上述 4 种地震波而言,Kobe 波和汶川波小于集集地震波其中,Kobe 波集集地震波作用下的基底剪力和基地弯矩分别是汶川波作用下的 2~3 倍 ; 晃动波高差异更大在基底剪力和基地弯矩等减震效果方面, 总体上 Kobe 波和汶川波的减震效果好于集集地震波在 Kobe 地震波和汶川地震波作用下, 对基底剪力基底弯矩刚性质点加速度和耦合质点加速度具有良好的减震效果, 减震率均超过了 60.00%, 相当于地震烈度降低了 1 度左右 ; 在集集地震波的作用下, 隔震储罐的减震效果相较上述 2 种地震波作用下的减震效果差储罐基底剪力和基底弯矩的减震率大

4 第 2 期郝进锋等. 近断层地震动下大型立式隔震储罐的地震响应分析 51 约在 1/3, 相当于地震烈度降低了 0.5 度左右图 4 15 万 m 3 储罐地震响应时程曲线 (9 度设防地震 ) Fig.4 Seismicresponsetimecurvesof150000m 3 tank(fortifyintensity9) 表 1 近断层地震时程分析法计算结果 (9 度设防地震 ) Table1 thecalculationresultsoftime-historymethodatnear-faultearthquake(fortificationintensity) 地震波 Kobe 地震波汶川地震波集集地震波 1 集集地震波 2 计算内容基底剪力 Q/N 基底弯矩 M /(N m) 晃动波高 h/m 刚性质点加速度 a0/(m s -2 ) 耦合质点加速度 as/(m s -2 ) 晃动质点加速度 ac/(m s -2 ) 抗震隔震减震率 /% 抗震隔震减震率 /% 抗震隔震减震率 /% 抗震隔震减震率 /% 注 : 减震率 = 抗震响应隔震响应抗震响应 100% 对晃动波高和晃动质点加速度而言, 储罐在不同近断层地震动作用下的晃动波高相差较大, 尤其是在集集地震波作用下储罐的晃动波高均超出预留的安全高度在 Kobe 地震波作用下减震率为 -

5 52 北京石油化工学院学报 2017 年第 25 卷 10.84%, 说明隔震后晃动波高和晃动质点加速度较传统抗震时反而增加了 10% 左右 ; 在汶川地震波作用下, 晃动波高和晃动质点加速度的地震响应减小了 7.56%; 在集集地震波的作用下, 晃动波高的减震率在 4.53%~6.58% 在集集地震波 1 作用下, 储罐 ( 包括隔震和传统抗震储罐 ) 的液体晃动显著, 储罐的晃动波高达到了 7m 多, 集集地震波 2 作用下, 晃动波高也超过了 4m, 虽然隔震后减少了晃动波高, 但仍远远超出 15 万 m 3 储罐预留的安全高度 1.8m, 这种情况在实际工程中是储罐难以承受的, 这必将造成储罐上部结构的破坏或者浮顶的损坏, 在晃动过程中, 石油等储液晃动波高超过了预留的最大安全高度, 导致石油等液体溢出, 进而引发火灾 2.3 隔震层位移在近断层地震动作用下, 隔震结构的隔震层上部往往产生较大的水平位移, 为分析隔震储罐在隔震层产生的位移情况, 其他参数同上, 但使隔震装置的阻尼比 ξ 分别等于和 0.3, 并在 Kobe 地震波汶川地震波集集地震波等近断层地震波作用下, 得出隔震层底部与上部之间产生的最大层间位移计算结果, 如表 2 所示表 2 Table2 近断层地震动作用下隔震层顶部位移计算结果 (9 度设防地震 ) 阻尼比 The calculation results of displacementof base isolated layer under near-fault Earthquake (fortificationintensity9) 地震波位移 /m Kobe 波汶川波集集波集集波 Kobe 汶川集集集集 Kobe 汶川集集集集从表 2 可以看出, 储罐在隔震层上下两部分的层间位移, 在同一近断层地震动下, 随着隔震层的阻尼比的增大, 层间位移逐渐减小 ; 阻尼比相同时, 不同近断层地震动作用下, 层间位移相差较大, 尤其是集集地震波下层间位移达到 0.3m 以上, 如果在实际工程中遇到这种情况, 有可能导致隔震支座发生破坏对于近震层区域内的大型储罐, 应综合考虑采取适当措施, 降低隔震层的层间位移, 如增加隔震支座的阻尼, 采用隔震装置与消能装置共同作用或者增加限位装置, 当层间位移过大时, 起到限制层间位移作用, 从而保护隔震支座的安全综上所述, 近断层地震对储罐结构的影响较大, 在进行设计时, 应充分考虑各种影响因素, 优化设计, 尽可能地降低近断层地震对储罐造成的破坏 3 结论 (1) 基底滚动隔震装置对降低基底剪力基底弯矩具有较好的减震作用, 提高了近断层地震动下储罐的抗震性能, 延缓罐壁屈曲破坏的发生, 起到有效控制地震响应的目的 (2) 对于晃动波高而言, 隔震储罐的减震效果具有差异性, 特别是在集集地震波作用下减震效果不佳, 不能使晃动波高控制在安全高度之内, 储罐设计时, 应特别注意集集地震波 (3) 在不同近断层地震动作用下, 不同阻尼比的隔震层上下层之间的层间位移差异较大, 实际工程中, 应采取隔震和耗能减震综合措施或限位措施, 防止隔震装置发生破坏, 导致隔震失效参考文献 [1] LuLyanywan,Lin Ginglong.Improvementofneaṟ fault seismic isolation using a resetable variable stifness damper [J]. Engineering Structures, September,2009,31(9): [2] Providakis C P. Efect of LRB isolators and supplemental viscous dampers on seismic isolated buildingsunderneaṟfaultexcitations[j].engineering Structures,2008,30(5): [3] 张冰. 近场地震作用下框架与桥梁结构抗震分析 [D]. 长沙 : 湖南大学,2007. [4] 王长龙. 近断层地震动作用下钢框架结构的地震响应分析 [D]. 北京 : 北京交通大学,2008. [5] SomervileP G.Magnitudescalingofthenearfault rupturedirectivitypulse[j].physicsoftheearthand PlanetaryInteriors,2003,137(4): [6] YamamotoS,etal.Radiationdampingofcylindrical liquidstoragetankresistingonelasticbody[c].proc. 8th WCEE,SanFrancisco,Calif.,1984(5): [7] SomervilePG,SmithNF,GravesR W,etal.Moḏ ificationofempiricalstronggroundmotionatenuation relationstoincludetheamplitudeanddurationefects ofrupture directivity [J]. Seismological Research

6 第 2 期郝进锋等. 近断层地震动下大型立式隔震储罐的地震响应分析 53 Leters,1997,68(1): [8] PanchalV R,JangidRS.Behaviorofliquidstorage tanks with VCFPS underneaṟfaultground motions [J].StructureandInfrastructureEngineering,2012,8 (1): [9] 逯严磊. 近断层地震动作用下大型立式储罐综合减震相应研究 [D]. 大庆 : 东北石油大学,2013. [10] 李扬, 李自力. 近断层地震动作用下 LRB 隔震储罐地震反应特征研究 [J]. 地震工程与工程振动,2008,33 (3): [11] 郝进锋. 大型立式浮顶储罐隔震研究论 [D]. 大庆 : 东北石油大学,2016. [12] 孙建刚, 崔利富, 杜蓬娟, 等. 立式浮顶储罐基础隔震地震响应研究 [J]. 哈尔滨工业大学学报,2011,43 (8): [13] 孙建刚. 立式储罐动响应若干问题研究 [D]. 哈尔滨 : 哈尔滨工程大学,2005. [14] 孙建刚, 崔利富, 郝进锋, 等. 考虑浮顶影响的隔震储罐简化力学模型及地震响应 [J]. 哈尔滨工业大学学报,2013,45(10): [15] 孙建刚, 张丽, 袁朝庆. 立式储罐基础隔震动力反应特性分析 [J]. 地震工程与工程振动,2001,21(3): [16] 孙颖. 大型立式储罐抗震性能与隔震效应数值分析 [D]. 大庆 : 东北石油大学,2012. [17] 孙建刚, 王向楠, 赵长军. 立式储罐基底隔震的基本理论 [J]. 哈尔滨工业大学学报,2010,42(4):

第期孙建刚等立式浮顶储罐基础隔震地震响应研究作用也是浮顶设计的重要依据鉴于此本文考虑浮顶对动响应的影响假定其为均质刚性圆板波高振动形式假设为沿半径线性分布研究基础隔震立式浮顶储罐地震响应的分析理论基本理论基本假定浮顶储罐内液体为无旋无粘不可压缩的理想流体浮顶为均质刚性

第期孙建刚等立式浮顶储罐基础隔震地震响应研究作用也是浮顶设计的重要依据鉴于此本文考虑浮顶对动响应的影响假定其为均质刚性圆板波高振动形式假设为沿半径线性分布研究基础隔震立式浮顶储罐地震响应的分析理论基本理论基本假定浮顶储罐内液体为无旋无粘不可压缩的理想流体浮顶为均质刚性第卷第期年月哈尔滨工业大学学报 """#"#$& ' 立式浮顶储罐基础隔震地震响应研究孙建刚崔利富杜蓬娟赵长军大连民族学院土木建筑工程学院 (( 辽宁大连 )*+,(-. 东北石油大学土木建筑工程学院 ( 黑龙江大庆大连海事大学道路与桥梁工程研究所 (( 辽宁大连摘要为研究浮顶储罐基础隔震地震响应问题将浮顶假定为均质刚性圆板波高振动形式受浮顶约束假设为沿半径线性分布