李想　孫建剛　崔利富　王振　劉偉兵

摘 要：為了研究近場地震動(dòng)速度脈沖參數(shù)對立式儲(chǔ)罐地震響應(yīng)的影響，以15萬方立式儲(chǔ)罐為研究對象，建立有限元數(shù)值仿真模型，引入人工合成的近斷層脈沖型地震動(dòng)記錄的方法，定量分析脈沖周期、脈沖峰值以及脈沖類型對立式儲(chǔ)罐地震響應(yīng)的影響特性和規(guī)律。結(jié)果表明：脈沖作用會(huì)使儲(chǔ)罐動(dòng)力響應(yīng)明顯增大；隨著脈沖峰值Vp的增大，儲(chǔ)罐的地震響應(yīng)逐漸增大；脈沖周期Tp接近儲(chǔ)罐自振周期時(shí)，地震響應(yīng)明顯被放大。A類脈沖對于儲(chǔ)罐影響最明顯，B類脈沖影響次之，C類最小。建議進(jìn)行近斷層區(qū)儲(chǔ)罐抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該對比檢驗(yàn)不同類型脈沖參數(shù)的影響，確保儲(chǔ)罐地震安全。

關(guān)鍵詞：立式儲(chǔ)罐；近場地震動(dòng)；速度脈沖；脈沖參數(shù)；地震響應(yīng)

中圖分類號(hào)： TU352；P315.92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）24-178-2

0 引言

近斷層區(qū)域[1-3]地震具有強(qiáng)烈的方向性效應(yīng)以及速度脈沖，這主要是因?yàn)榻鼣鄬拥卣饎?dòng)使得結(jié)構(gòu)直接承受高能量沖擊，尤其是長周期結(jié)構(gòu)，往往造成難以恢復(fù)的大位移。立式儲(chǔ)罐[4，5]其儲(chǔ)液部分屬于液固耦合長周期結(jié)構(gòu)，一旦遭遇近斷層長周期地震作用，很容易發(fā)生共振而造成儲(chǔ)液的劇烈晃動(dòng)和翻騰，極易導(dǎo)致石油泄露，造成很嚴(yán)重的次生災(zāi)害。文獻(xiàn)[6]提出通過定義脈沖幅值、脈沖周期以及脈沖類型的方法來實(shí)現(xiàn)人工模擬近斷層地震波。隨著立式儲(chǔ)罐數(shù)量的增加，長周期脈沖型近場地震下立式儲(chǔ)罐的地震響應(yīng)特性亟待研究。

本文以15萬方立式儲(chǔ)罐為研究對象，建立有限元數(shù)值仿真模型，引入人工合成的近斷層脈沖型地震動(dòng)的方法，定量分析脈沖峰值、脈沖周期以及脈沖類型對立式儲(chǔ)罐地震響應(yīng)的影響特性和規(guī)律，為更好設(shè)計(jì)出抵抗近斷層地震動(dòng)的立式儲(chǔ)罐提供理論依據(jù)。

1 15萬方立式儲(chǔ)罐有限元模型

1.1 儲(chǔ)罐基本參數(shù)

本文選取15×104m3立式儲(chǔ)罐為研究對象，儲(chǔ)罐罐壁高21.7m， 充水高度Hw=20.1m，重力加速度g=9.8m/s2。

材料屬性：鋼板的密度ρ=7800kg/m3，彈性模量E=2.06×1011N/m2。儲(chǔ)罐內(nèi)油的密度鑒于安全性的考慮取為ρ=1000kg/m3，彈性模量E=2.0×108N/m2。

1.2 有限元模型

儲(chǔ)罐底板及罐壁采用殼單元，液體采用三維勢流單元，基于上述關(guān)于模型的參數(shù)、單元選取，建立15萬方立式儲(chǔ)罐有限元模型（圖1）。

2 近斷層速度脈沖模擬和脈沖參數(shù)的選取

2.1 近斷層速度脈沖模擬模型

對于人工合成近斷層脈沖型地震波，將前向脈沖A，前、后向脈沖B和多環(huán)脈沖C的速度脈沖模擬函數(shù)定義為：

式中， Vp為速度脈沖峰值；Tp為脈沖周期，wp為脈沖頻率。式（1）中A類地震波為單一向傳播；式（2）中B類地震波為往返傳播；式（3）中C類地震波波形具有多個(gè)往返。

為系統(tǒng)研究近斷層地震脈沖參數(shù)對立式儲(chǔ)罐的影響，以El-Centro波為底波（PGA=341.7cm/s2，PGV=39.04cm/s）采用上述公式構(gòu)造出A，B，C三類等效速度脈沖，其中α=0.25，k=1，C類脈沖n=2.5。

2.2 脈沖模型參數(shù)選取

脈沖模型參數(shù)采用如下取值方案：①研究脈沖峰值Vp對立式儲(chǔ)罐地震響應(yīng)的影響時(shí)，選取A類脈沖，Tp=1s，Vp分別取50cm/s、70cm/s、100cm/s和125cm/s；②研究脈沖周期Tp的影響時(shí)，選取A類脈沖，Vp=75cm/s，Tp分別取0.5s、1s、2s和4s；③研究脈沖類型的影響時(shí)，Vp=75cm/s，Tp=2s，分別選取A類、B類和C類脈沖。

3 近斷層脈沖參數(shù)對立式儲(chǔ)罐地震響應(yīng)分析

3.1 脈沖峰值Vp對立式儲(chǔ)罐地震響應(yīng)的影響

圖2和圖3為A類脈沖，Tp=1s時(shí)不同Vp近斷層地震波和El-centro波激勵(lì)下的動(dòng)液壓力和有效應(yīng)力峰值分布。

從圖2可以看出儲(chǔ)罐的動(dòng)液壓力沿液體高度方向逐漸增大，動(dòng)液壓力越大液體作用在罐壁上的應(yīng)力就越大，震害也越明顯。隨著Vp的增大，液體動(dòng)液壓力也隨之增大， Vp=125cm/s時(shí)達(dá)到最大，峰值為161.8kPa，相比無脈沖時(shí)其增幅近35.8%。從圖3可以看出儲(chǔ)罐在4～17m范圍內(nèi)儲(chǔ)罐罐壁有效應(yīng)力最大，有效應(yīng)力隨著Vp的增大而增大，在Vp=125cm/s時(shí)達(dá)到最大值，相比無脈沖時(shí)其增幅近22.9%，與圖2液體動(dòng)液壓力分布規(guī)律一致。

3.2 脈沖周期Tp對立式儲(chǔ)罐地震響應(yīng)的影響

從圖4和圖5中可以看出當(dāng)脈沖周期Tp=1s時(shí)液體動(dòng)液壓力和罐壁有效應(yīng)力明顯大于其他脈沖周期和El-Centro波，其中動(dòng)液壓力最大增幅為18.8%，有效應(yīng)力最大增幅為23.5%，這主要是由于15萬方立式儲(chǔ)罐自振周期為0.884s，結(jié)構(gòu)自振周期與脈沖周期接近，引起共振現(xiàn)象。

3.3 脈沖類型對立式儲(chǔ)罐地震響應(yīng)的影響

從圖6和圖7可以看出，當(dāng)Vp=75cm/s，Vp=2s時(shí)，3類脈沖波相對于El-Centro波的動(dòng)液壓力和有效應(yīng)力均有明顯放大，其中A類脈沖作用下的動(dòng)液壓力和有效應(yīng)力均明顯大于B類和C類，相對于底波動(dòng)液壓力和有效應(yīng)力最大增幅分別為28.1%和16.6%。

4 結(jié)論

本文以15萬方立式儲(chǔ)罐為研究對象，建立有限元數(shù)值仿真模型，引入人工合成的近斷層脈沖型地震動(dòng)記錄的方法，定量分析脈沖周期、脈沖峰值以及脈沖類型對立式儲(chǔ)罐地震響應(yīng)的影響特性和規(guī)律。

①脈沖作用會(huì)使儲(chǔ)罐動(dòng)力響應(yīng)明顯增大，因此長周期脈沖型近場地震作用對立式儲(chǔ)罐的抗震性能回提出更高的要求。②隨著脈沖峰值Vp的增大，儲(chǔ)罐的地震響應(yīng)逐漸增大；脈沖周期Tp接近儲(chǔ)罐自振周期時(shí)，地震響應(yīng)明顯被放大。A類脈沖對于儲(chǔ)罐影響最明顯，B類脈沖影響次之，C類最小。③儲(chǔ)罐近斷層地震響應(yīng)并不是由某一類脈沖參數(shù)決定的，建議進(jìn)行近斷層區(qū)儲(chǔ)罐抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該對比檢驗(yàn)不同類型脈沖參數(shù)的影響，確保儲(chǔ)罐地震安全。

參 考 文 獻(xiàn)

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