地震作用下石油储罐浮顶强度及稳定性分析.docx

①地震作用下石油储罐浮顶强度及稳定性分析张泽盛,王日新,孟昭寅(天津大学船舶及海洋工程系,天津300072)摘要:分析了石油储罐在地震波作用下单盘浮顶的运动状态,提出单盘浮顶在地震波作用下的力学模型,并应用薄板大挠度理论,采用边界元法求解单盘浮顶的边缘膜应力.在这一基础上对浮顶的强度及稳定性作了进一步分析.关键词:浮顶;膜应力;强度;稳定性中图分类号:TE72文献标识码:A文章编号:049322137(2000)0620736204目前我国用于储存石油的大型钢制储油罐,储罐容积由几千方至数万方,最大达五万方.为防止储油的蒸发及外溢,在罐内储液表面设置一个浮顶,也称浮船.浮顶周边是钢制环形箱体结构,中间是圆形钢板称为单盘,以五万方储罐为例,浮顶外径达到5916m.正常存储情况下,浮顶可沿着罐内壁的垂直导向杆随液面变化上下浮动,如图1所示.当地震灾害发生时,震波会使罐内液体剧烈波动,根据有关地震灾害的分析,钢制平底焊接储油罐在地震中的破坏包括:由于倾覆力的作用而产生纵向压缩应力,使罐壁底部产生皱曲;承重地基的失效;由震动导致罐体与连接件的分离;更有甚者是在地震波作用下,储罐出现强烈晃动而导致上壁与浮顶的破坏,主要原因是由于储液外溢产生负压而使浮顶失稳.地震波使储液产生动压力作用在浮顶上,使浮顶的单盘产生较大的薄膜应力.如何分析计算在地震作用下浮顶单盘周边的膜应力,以便进一步校核计算浮顶的强度及稳定性,保证储罐的安全使用是本文所要探讨的问题.图1钢制浮顶储罐Fig.1Thefloatingroofstoragetank按实际情况,浮顶的直径很大,除周边的环形箱体结构外,浮顶的中间是单层板,由于面积很大,相对来说板厚很薄,因此按薄膜考虑,并取薄膜系数K=0.5,浮顶的升沉周期为浮顶的力学模型1TZ=2Π2D?/(Θ1g(Sw1+KSw2))(2)式中:Sw1为浮船水线面面积;Sw2为浮盘面积;K为薄膜系数.浮顶在静水中的升沉运动与纵摇运动的固有周期很接近.以五万方储罐为例,其升沉或纵摇周期大致为1s,这与储液晃动周期8s相比很小.我国现有1千至为计算浮顶在地震作用下的动力响应及膜应力,首先分析浮顶在三波输入产生一阶振型时的运动状态,浮顶升沉运动的固有周期按刚体考虑应为1TZ=2Π(D?+ΚZZ)/(Θ1gSw)(1)5万方储罐液面晃动周期为4～9s.这说明储罐在地式中:ΚZZ≈D?;g为重力加速度;D?为浮顶质量;Sw为浮顶水线面面积;Θ1为储液密度.震作用下产生的谐振周期与浮顶自身的纵摇或升沉周①收稿日期:1999207205;修回日期:1999211209.作者简介:张泽盛(1941-),男,副教授.天津大学学报张泽盛等:地震作用下石油储罐浮顶强度及稳定性分析·737·期相差甚远.因而在地震波作用下,浮顶的摇摆角与波面角相同,即浮顶在地震波作用下处于随波摆动状态,这一现象在不同比尺的模型试验中可以清楚地看到,因此可以认为在自然状态下,不会出现地震波作用下的浮顶与储液间的拍击现象,所以可不考虑其动力响应而只考虑其静态负荷.单盘在第一振型波作用下的膜应力在地震波作用下,如上所述,浮顶处于随波晃动的自由漂浮状态,总浮力不变,只是浮力的分布发生变化.以浮顶中间的单盘为例,受到一个反对称呈正弦分布的波浪力的作用.为简化计算将其当成直线分布,并用薄板大挠度理论,采用边界元法2,求解边缘应力.按该方法对圆板、椭圆板的计算结果表明与已有文献结果比较更接近于实验值.按这一方法将薄板大挠度弯曲问题Von2Karman方程分解成一系列的线性偏微分方程,其中一类可模拟为薄板小挠度弯曲问题的基本方程,另一类模拟成弹性力学平面问题的基本方程,利用边界元法交替求解即可得到其近似解.把浮顶中间的单盘作为隔离体,单盘受到反对称波动压力,计算时取沿平面对称轴的右半圆,即按半圆形板进行计算(图2).沿对称轴一边为简支边,半圆周边为刚性连接,在三角形分布荷载下,其最大挠度与荷载间的关系为2图2单盘浮顶受力示意TheforceactingonthefloatingroofFig.2得t25u5u225x=12R2Wm5X5v2(6)t25V25y=12R2Wm5Y把式(6)代入式(3)并由式(4)的关系得t25u25v2Et2Eλ1-Λ2·12R2·Wm(5X+Λ5Y)=212R2·WmΡx2Ρx=t25v25u2Et2E2λ1-Λ2·12R2·Wm(5Y+Λ5X)=212R2·WmΡy(7)Ρy=w05q0R4/(1500Ds)=w01+0.47)2]((3)223t摄动参数为Wm=W0,代入式(7)得3Ett式中:Ds为薄板的弯曲刚度Ds=;E为材料12(1-Λ2)EW2ΡλΡx=0x弹性模量;Λ为材料泊松系数;t为材料厚度;R2为圆半径;w0为最大挠度;q0为对应于