考虑土-储罐-液体相互作用的隔震储罐简化力学模型及地震响应研究.pdf
《考虑土-储罐-液体相互作用的隔震储罐简化力学模型及地震响应研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《考虑土-储罐-液体相互作用的隔震储罐简化力学模型及地震响应研究.pdf(12页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 37 卷第 3 期2024 年 3 月振 动 工 程 学 报Journal of Vibration EngineeringVol.37 No.3Mar.2024考虑土储罐液体相互作用的隔震储罐简化力学模型及地震响应研究李想1,2,张书进1,3,孙建刚2,4,王尊策1,徐蕾2,崔利富2,吕远5(1.东北石油大学机械科学与工程学院,黑龙江 大庆 163318;2.大连民族大学土木工程学院,辽宁 大连 116650;3.中国石油大庆油田有限责任公司采油工程研究院,黑龙江 大庆 163453;4.防灾科技学院土木工程学院,北京 101601;5.哈尔滨工业大学土木与环境工程学院,广东 深圳 51
2、8055)摘要:为了寻求一种既能减震又能降低成本的储罐结构,提出一种隔震储罐结构体系,根据力的平衡原则推导了滚动隔震装置恢复力模型,得出了复合滚动隔震装置的恢复力模型。基于三质点模型和场地土模型,提出了考虑土储罐液体相互作用(STLI)的隔震储罐的简化力学模型和运动方程,并研究了考虑 STLI效应和不考虑 STLI效应时抗震储罐和隔震储罐在不同场地的地震响应。结果表明:隔震储罐能够有效地降低其基底剪力及倾覆弯矩,但对晃动波高的控制有限,建议在高烈度区,满足晃动波高的前提下,隔震储罐在设计时可以降低烈度。考虑 STLI效应后,抗震储罐的基底剪力和倾覆弯矩明显降低,且从类场地到类场地差异率逐渐增大
3、,软土场地降低最为显著。隔震储罐地震响应受 STLI效应的影响较小,可以有效地隔断上部结构与场地土之间的耦联,弱化 STLI效应对上部结构的影响。关键词:土储罐液体相互作用;隔震储罐;复合滚动隔震;简化力学模型;地震响应中图分类号:TU352.1 文献标志码:A 文章编号:1004-4523(2024)03-0436-12 DOI:10.16385/ki.issn.1004-4523.2024.03.008引言立式石油储罐是石油化工行业重要的存储设施,由于其存储易燃、易爆和有毒介质,一旦发生地震灾害容易引起火灾、爆炸或者造成环境污染等次生灾害,对生态环境和人类生存造成严重的危害。1964年 6
4、月 16日,日本新潟地震中储油罐破坏后发生大火和爆炸,大火持续 15天,烧毁油罐 84座,造成严重的经济损失和空气污染1。1978 年 6 月 12 日,日本宫城地震,成品油罐被破坏,造成了陆地和海洋的大面积污染。1976 年 7 月 28 日,唐山大地震,唐山钢厂和天津化工厂各两座 1000 m3的燃料油罐最下层圈壁发生外屈曲,角焊缝开裂,罐内贮油全部泄漏。立式储罐的震害主要表现为罐壁底部的象足式鼓曲,浮顶上部构件损坏,锚固件、罐底板和罐底贴角焊缝的破坏,管接头及其附件的破坏以及地基液化等。由以上储罐震害可知,立式储罐壁薄、容积大,其地震响应主要涉及提离、罐壁应力、罐壁失稳等。为此国内外学者
5、针对储罐结构的特点,从理论、数值仿真以及试验多维度揭示复杂的地震响应机理,从而提高储罐抗震能力,避免其因为地震作用而产生破坏。就当前的研究成果来看,结构控制思想的引入很好地起到了减小地震破坏作用的效果29。Chalhoub10进行了采用基础隔震技术的储罐振动台试验,结果表明,采用橡胶隔震装置的储罐能有效地降 低 地 震 响 应,但 晃 动 高 度 略 有 增 加。Shrimali等1112研究了单向和双向地震激励下采用叠层橡胶隔震支座的储罐的地震响应,结果表明该方法可以有效地降低储罐动力响应。Cheng等13考虑储罐液固耦合的影响,研究了采用橡胶隔震支座的矩形钢筋混凝土液体储罐的动态响应。结果
6、表明,由于橡胶隔震支座过滤了外部激励的高频分量,因此储罐不会发生高频共振,当外部激发频率接近液体的一阶频率时,会发生显著的共振。孙建刚14从罐壁的柔性和液固耦合运动出发,建立了隔震三质点控制体系简化分析的力学模型,给出了立式储罐基础隔震控制体系的运动方程。目 前,对 储 罐 隔 震 问 题 的 研 究 进 展 十 分 迅速1516,然而大多数研究假设储罐基础是刚性的,忽略了土储罐液体相互作用对地震响应的影响。近几十年来,国内外学者广泛研究了土结构相互作用收稿日期:2022-07-12;修订日期:2022-09-13基金项目:国家自然科学基金资助项目(52178461,51878124,5147
7、8090);广东省重点领域研发计划项目(2019B111102001)。第 3 期李想,等:考虑土储罐液体相互作用的隔震储罐简化力学模型及地震响应研究对各种结构体系地震响应的影响1722。由于液体具有流动性,所以 SSI 效应对储罐的影响正逐渐转化为 更 为 复 杂 的 土 储 罐 液 体 相 互 作 用(STLI)。Haroun 等23研究了考虑土与储罐相互作用的立式储罐地震响应,研究表明在水平地震作用下,土与结构相互作用能放大储罐的动水压力和倾覆弯矩。孙建刚等24采用数值方法研究了考虑土储罐相互作用的大型立式浮顶储罐的地震响应,研究表明,土壤摆动效应对结构的基底剪力和倾覆弯矩有很大的影响,
8、特别是当场地条件为软土时。综上所述,隔震对减小储罐地震响应具有很好的效果,而且 STLI 效应对储罐结构地震响应的影响是不可忽视的。从目前国内外关于储罐隔震体系的研究来看,要实现上述隔震体系,就要使用大量的隔震装置,储罐基础构造也要产生巨大的改变,这必将增加结构体系的建造成本,也使得隔震技术难以大面积推广应用在储罐中。鉴于此,本文在局部改变原结构体系的基础上,提出可以有效降低结构地震响应的隔震储罐结构体系。目前关于土与储罐相互作用的研究仅针对立式储罐,而隔震储罐与立式储罐在结构形式上有很大不同,因此,本文推导了适用于该结构体系的复合滚动隔震装置的恢复力模型,而后提出了基于 STLI 效应的隔震
9、储罐简化力学模型,研究了考虑 STLI效应和忽略 STLI效应的隔震储罐和抗震储罐在不同场地的地震响应,探讨了考虑 STLI效应的必要性。1隔震储罐当前的储罐基础隔震体系如图 1 所示,采用隔震装置将储罐与其基础分隔开。本文所提出的隔震储罐(如图 2 所示)将罐壁和储罐底板分开,并将储罐底板支撑在砂垫层上,罐壁支撑在复合滚动隔震装置上,采用柔性膜将罐壁和储罐底板连接起来,本文所采用的柔性膜是一种新型弹性体材料,该材料具有韧性高、防水、耐磨、强度高的特性,并具有良好的粘结性,可以保证罐壁在水平方向运动,同时防止储罐内液体泄漏。该隔震储罐由于罐壁和储罐底板是断开的,并且通过柔性膜连接,所以当发生地
10、震时砂垫层的弓起作用和底板提离作用的作用力传递路径被切断,可以消除弓起破坏和底板提离。由于复合滚动隔震装置的引入能够很好地降低储罐地震响应,而且隔震装置仅作用在罐壁底部,所以能大大减少隔震装置的布置数量,储罐基础结构形式的变化也不大,能有效地降低建造成本,具有良好的经济效益。2复合滚动隔震装置2.1复合滚动隔震装置的构成复合滚动隔震装置由滚动隔震装置和铅芯阻尼器并联而成,如图 3所示。滚动隔震装置由带有上、下凹槽的盖板和滚球构成,凹槽设计为圆弧形。将铅芯阻尼器插入橡胶管中,而后将其插入盖板,其中上盖板为贯穿孔,下盖板未贯穿。盖板的开孔需比橡胶管尺寸略小,利用橡胶的挤压受力使铅芯阻尼器固定,其中
11、铅芯阻尼器高度略小于隔震装置的整体高度,以消解滚珠滚动时所引起的复合滚动隔震装置竖向位移,并在铅芯阻尼器顶部布置一根弹簧,用螺栓固定。图 1 储罐基础隔震体系Fig.1 Foundation isolation system of tank图 2 本文提出的隔震储罐结构体系Fig.2 Structure system of proposed isolation tank图 3 复合滚动隔震装置Fig.3 Composite rolling isolation device437振 动 工 程 学 报第 37 卷2.2滚动隔震装置恢复力模型参考文献 25,通过对滚动隔震装置的恢复力模型进行计算可
12、知,其自振周期和刚度与单摆类似,具体表达式为:Ti=2Sg=22(R-r)g(1)k=2m(2)式中S为上凹槽质心运动轨迹;R 为凹槽半径;r为滚球半径;为滚动隔震装置圆频率;m 为滚动隔震装置上部质量。从式(1)和(2)中可以看出,滚动隔震装置的周期和刚度仅与凹槽和滚球的半径有关,而与其相对位移无关。这种方法大大简化了恢复力模型的计算过程,当滚动隔震装置发生较大相对位移时,采用上述方法计算会产生较大误差。本文根据力的平衡原则推导出滚动隔震装置变周期和变刚度恢复力模型。以滚动隔震装置中一个滚动单元为研究对象,其上凹槽受力分析如图 4所示。根据力的平衡原则可得滚球与上凹槽接触面的平衡方程:W c
13、os +F sin -N=0(3)W sin -F cos +T=0(4)式中W 为上部结构作用于滚动隔震装置的竖向荷载;F 为滚动隔震装置的恢复力;T 和 N 分别为上凹槽和滚球接触面的切向摩擦力和法向反力;为转动角度。切向摩擦力 T可表示为26:T=sgn(v)Nr=sgn(xcos)Wr cos 11-sgn()xcos rtan (5)根据式(3)(5)可得:F=W tan +sgn(x)Wr1+tan21-sgn()xrtan (6)假设滚球中心的运动方程为:x2+y2=(R-r)2(7)根据式(6)可求得滚动隔震装置恢复力模型为:F=-W4(R-r)2-x2i-12xi+sgn(x
14、i)Wr1+()y21-sgn()xiry=-kxi+Fd(8)式中xi为上凹槽的位移;x 为滚球中心的位移;x为滚球中心的速度。式(8)中第一项为滚动隔震装置弹性恢复力,第二项为滚动隔震装置阻尼力Fd。滚动隔震装置刚度为:k=W4(R-r)2-x2i-12(9)滚动隔震装置周期为:Ti=2mk=24(R-r)2-x2i12g(10)由式(10)可知,滚动隔震装置的隔震周期主要与凹槽半径 R 和滚球半径 r 及其所处的位置有关。在进行隔震设计时,应首先确定滚球的尺寸大小,而后根据所需隔震周期进行凹槽半径的设计。2.3滚动隔震装置恢复力模型验证为了验证滚动隔震装置恢复力模型的正确性,对比分析滚动
15、隔震装置恢复力模型和有限元仿真模型在水平正弦位移激励下的计算结果。选取凹槽半径 R=0.6 m,滚球半径 r=0.075 m。将滚动隔震装置简化为二维平面内的运动,采用 ADINA 有限元软件建立仿真模型,如图 5 所示。单元材料模型选用双线性的弹塑性模型,材料弹性模量为 206 GPa,屈 服 强 度 为 518 MPa,泊 松 比 为 0.3,密 度 为7850 kg/m3。在模型顶部施加 1 N/m 的线荷载以及如图 6 所示的正弦水平位移激励y=A sin(6t),滚动隔震装置恢复力模型计算结果与有限元仿真模型计算结果如图 7所示。从图 7 中可以看出,滚动隔震恢复力模型和有限元仿真模
16、型的计算结果十分接近,验证了本文所图 4 上凹槽受力分析图Fig.4 Stress analysis of upper groove438第 3 期李想,等:考虑土储罐液体相互作用的隔震储罐简化力学模型及地震响应研究推导的滚动隔震装置恢复力学模型的准确性。2.4复合滚动隔震装置恢复力模型采用复合滚动隔震装置的隔震储罐在遭遇大风天气或者小幅地震时,滚动隔震装置的起滚力和铅芯阻尼器的初始刚度能保证储罐上部结构不发生大幅振动。当遭遇强震时,滚动隔震装置带动铅芯阻尼器进行水平运动,并在往复运动中耗散地震能量。本文铅芯阻尼器的恢复力模型采用 BoucWen光滑型恢复力模型27:Fl=klx+(1-)kl
17、z(11)z=Aix-i|x|zi-1z-x|zi(12)式中为屈服后与屈服前的水平刚度之比;kl为铅芯的弹性刚度;z为滞变位移。Ai,i,i等参数可通过参数识别得到。根据式(8),可得复合滚动隔震装置恢复力模型为:F=kfx+Ff+klx+(1-)klz(13)式中kf为复合滚动隔震装置的自复位刚度。3考 虑 STLI 效 应 的 隔 震 储 罐 简 化力学模型3.1场地土简化模型本文将场地土简化为三自由度力学模型2022,分别为平动自由度xH(t),摆动自由度x(t)和附加自由度x(t),如图 8所示。图 8 中,ri,e,mf和 If分别为结构基础的半径、埋置深度、质量和质量惯性矩;水平
18、平动刚度系数kH和阻尼系数cH的计算公式分别为2122:kH=82sri2-()1+eri(14)cH=ris()0.68+0.57erikH(15)式中为土的密度;为土的泊松比;s为场地土的等效剪切波速。摆动的转动刚度系数k和阻尼系数c的计算公式分别为2122:k=82sri33(1-)1+2.3eri+0.58()eri3(16)c=ris 0.15631eri-0.08906()eri2-0.00874()eri3kH(17)土体附加的自由度包括质量惯性矩I和阻尼参数c2122,分别表示为:I=()ris2 0.33+0.1()eri2k(18)c=ris 0.4+0.03()eri2k
19、(19)储罐结构的动响应包括液体晃动和液固耦合等复杂的动态过程,目前国内外常用 Housner28和图 5 有限元仿真模型Fig.5 Finite element simulation model图 6 水平位移激励Fig.6 Horizontal displacement excitation图 7 滚动隔震装置恢复力模型和有限元仿真模型滞回曲线Fig.7 Hysteresis curves of restoring force model and finite element simulation model of rolling isolation device图 8 土-结构力学模型F
20、ig.8 Soil-structure mechanical model439振 动 工 程 学 报第 37 卷孙建刚等24提出的刚性理论和弹性理论力学模型来解决储罐复杂的动响应问题,本文基于上述理论推断,考虑土结构相互作用的隔震储罐简化力学模型实际上是土壤模型与势流体理论的有机组合。将图8中的场地土模型与隔震储罐结合,构成图 9中考虑STLI效应的隔震储罐的力学分析模型。3.2隔震储罐简化动力学模型基于弹性理论的立式储罐水平基础隔震力学模型28,将隔震储罐内液体简化为对流质量 mc、液固耦合质量 mi和刚性质量 m0。等效高度分别为 hc,hi和 h0,储液高度为 Hl。液固耦合质量和对流质
21、量通过等效弹簧刚度 kc,ki及阻尼系数 cc,ci与罐壁相连,k0为隔震装置等效刚度,Ff为由摩擦力构成的恢复力,Fl为铅芯阻尼器恢复力。地面运动位移、对流晃动位移、液固耦合位移和隔震装置位移分别为xg(t),xc(t),xi(t)和x0(t)。考虑场地土储罐液体相互作用(STLI)的影响,得出考虑 STLI 效应的隔震储罐简化力学模型,如图 10所示。3.3运动方程根据考虑 STLI效应的隔震储罐简化动力学模型,利用 Hamilton 原理得出六自由度体系的运动控制方程:MX+CX+KX=-F(20)其中:M=mc0mcmcmchc00mimimimihi0mcmimi+mc+m0mc+m
22、i+m0mchc+mihi+m0h00mcmimc+mi+m0mc+mi+m0+mfmchc+mihi+m0h00mcHcmiHimcHc+miHi+m0H0mcHc+miHi+m0H0mch2c+mih2i+m0h20+I0000000I,C=cccc0cHc+c-c-cc,K=kckik0kHk0,X=xcxix0 xHxx,F=mcmimc+mi+m0mc+mi+m0+mfmchc+mihi+m0h00 xg+00Ff+Fl000,式中I0为罐体绕中心的转动惯量;Hc,Hi,H0表示3个质点的高度。隔震储罐的基底剪力、倾覆弯矩和晃动波高分别为:Q(t)=-mcxc(t)+x0(t)+xH
23、(t)+hcx(t)+xg(t)-mixi(t)+x0(t)+xH(t)+hix(t)+xg(t)-m0 x0(t)+xH(t)+h0 x(t)+xg(t)(21)M(t)=-mchcxc(t)+x0(t)+xH(t)+hcx(t)+xg(t)-mihixi(t)+x0(t)+xH(t)+hix(t)+xg(t)-m0h0 x0(t)+xH(t)+h0 x(t)+xg(t)(22)hv=-0.837g x0(t)+xH(t)+Hlx(t)+xg(t)+xc(t)Ri(23)式中Ri为储罐半径。图 9 考虑 STLI效应的隔震储罐力学分析模型Fig.9 Mechanical analysis m
24、odel of isolation tank considering STLI effect图 10 考虑 STLI效应的隔震储罐简化力学模型Fig.10 Simplified mechanical model of isolation tank considering STLI effect440第 3 期李想,等:考虑土储罐液体相互作用的隔震储罐简化力学模型及地震响应研究4简化力学模型验证4.1储罐基本参数及隔震装置设计本文以 3000 m3立式储罐为原型罐设计隔震储罐,其基本参数如表 1所示。设计隔震装置初始隔震周期为 Ti=3 s,滚动摩阻系数取为 0.005 cm,滚球的半径为 r=
25、0.08 m,根据式(10)可算得凹槽半径 R=1.2 m。在隔震储罐罐壁底部均匀布置 6个复合滚动隔震装置。根据预期 隔 震 层 偏 移,选 定 铅 芯 阻 尼 器 有 效 高 度 H=300 mm,直径 D=100 mm,建立铅芯阻尼器有限元仿真模型,并对其进行拟静力数值仿真分析,其中模型选用 3D Solid单元,材料弹性模量为 16.5 GPa,屈服强度为 14 MPa,泊松比为 0.42。有限元模型如图11所示。在铅芯阻尼器顶部施加如图 12 所示的正弦水平位移激励y=A sin(2t),铅芯阻尼器的滞回曲线如图 13所示,通过对数值仿真模型的滞回曲线进行参数识别,获取 BoucWe
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 考虑 储罐 液体 相互作用 隔震储罐 简化 力学 模型 地震 响应 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,个别因单元格分列造成显示页码不一将协商解决,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。