储液罐抗震研究.doc

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储液罐抗震研究

储液罐抗震研究 王永岗 吕英民 张对红 张进国   摘 要 综述了储液罐抗震研究的物理模型、计算方法、实验研究和工程应用等方面的工作。重点回顾和总结了国外在不同阶段的研究成果;概述了国内近二十年来在该领域取得的进展;指出了尚需进一步研究的某些问题。   主题词  储罐  抗震设计  研究  综述   This paper reviews various treatments of physical models,computational methods,experimental studies as well as practical application in the aseismic research of liquid storage tanks with emphasis on the evaluation of the foreign achievements.The domestic developments obtained in the last 20 years are summarized and some further research needs are also pointed out.   Subject Headings:oil tank,aseismic research,overview   储液罐在石油、化工等行业有着广泛的应用,其动力特性的研究可以追溯到1883年由Rayleigh对充液圆柱壳振动所做的工作,而实际储液罐的抗震研究是从本世纪30年代开始的。由于地震的直接破坏作用及其严重的次生灾害,半个多世纪以来,对储液罐的抗震研究,从震害调查、理论分析、实验研究和工程应用等方面作了大量工作,各国都先后形成了自己的抗震规范,但是仍有不少按照规范设计的储液罐在地震中遭到破坏,所以,目前在该领域的研究势头仍方兴未艾。 一、国外储液罐研究评述   储液罐按其在基础上的安置状况,可分为锚固罐和非锚固罐,现对这两种罐的动力特性及地震反应作简要的回顾。   1、 锚固罐的抗震研究   储液罐地震反应研究的早期工作是在假定储液罐是刚性体,而罐底锚固于基础上的前提下进行的。这一阶段的研究始于1934年Hoskins和Jacobsen〔1〕对地面刚性储液罐在水平地面加速度下脉冲压力分布的实验和理论研究。1957年,Housner〔2〕在前人研究的基础上,从工程角度出发,提出了著名的刚性储液罐简化模型,他假设罐内流体是无粘、无旋、不可压缩的理想流体,将液动压力分为两部分,一部分是随罐体作同步运动的液体惯性力产生的脉冲压力,另一部分是由罐内液体自由晃动而产生的对流压力。对流液体按等效原则简化为一与刚性罐壁相连的单自由度弹簧-质量系统。Housner模型简单实用,在六、七十年代的储液罐抗震设计中被广泛采用〔3〕。   1964年Alaska地震对储液罐造成大规模的破坏,人们对现有设计规范及其刚性罐壁理论提出质疑,并开始把注意力集中到柔性储液罐的地震反应研究上来。与此同时,数字计算机及各种有关数值计算技术的发展也大大提高了解决这一问题的能力。   柔性储液罐的振动问题是典型的液-固耦合问题,从问题的性质来看,它涉及到相互联系、相互作用的两种不同介质,这一特点使得它比刚性储液罐的研究更为复杂。三十多年来,人们对这一领域的研究已取得许多理论和实验成果。   1969年,Edwards〔4〕首次用有限元法在计算机上对储液罐-流体耦合系统的地震反应进行了数值模拟。七、八十年代,美国麻省理工学院在Nash教授的指导下,用有限元法对圆柱形储液罐进行了多方面的研究。他们在不计液体自由表面晃动的前提下,同时将不可压缩理想流体和柔性罐壁进行有限元离散,罐壁作为弹性薄壳采用环形单元,流体离散成矩形截面的环形单元,最终将罐-液耦合问题简化成一个具有附加质量的空罐振动问题,这个附加质量代表的就是罐内液体的地震反应。他们用这种模 型研究了空罐〔5〕及各种液深的储液罐的动力反  应〔6〕、土壤作用的影响等〔7〕,并进一步推广到具有弹性罐顶的情况〔8〕。基于此方法开发的有限元计算机软件EXDOMTANK可给出由于液体脉冲压力所产生的位移和应力的时间历程曲线。应该指出的是,文献[8]在对罐壁离散时,使用Novozhilov中等转动旋转壳理论,模拟了储液罐的几何非线性地震反应。Wunderlich〔9〕和Tani〔10〕等也作了类似非线性分析。   Veletsos〔11〕在1974年提出了计算水平地震激励的柔性储液罐脉冲压力的简化计算方法——假定模态法。其基本思想是将罐-液系统简化为一单自由度系统,并按预先设定的模态进行振动,罐内流体的惯性借助于附加质量的概念加到结构中,由此导出作用于柔性罐壁上液动压力的分布规律,并得出在相同地震激励下

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