十五万方非锚固油罐地震时程响应及动力屈曲分析

论文摘要

大型非锚固油罐是我国石油战略储备库的关键设备。在地震作用下,油罐的动力响应非常复杂。虽然从20世纪30年代开始,学者们就针对储油罐的动力响应进行了大量的研究,并编制了相应的规范,但是按规范设计的立式储油罐,在大的地震灾害中时有破坏发生,说明油罐动力响应机理和因素尚待进一步研究。本文针对大型非锚固十五万方油罐,进行地震时程响应分析,并利用等壁厚模型和简谐波加载对“象足”屈曲破坏行为进行研究,同时分析各种情况下动水压力产生的环向应力对“象足”屈曲的影响。开展的主要工作为：(1)对比分析中、美、日油罐抗震规范对地震力的考虑及对“象足”屈曲控制方法的异同；并以十五万方油罐为算例,采用无量纲参数法对中、美、日油罐规范的计算结果进行比较。(2)罐壁采用双线性弹塑性硬化材料,液体采用无旋、有粘、不可压缩流体,同时考虑材料、几何和接触状态非线性对十五万方油罐进行地震动力时程响应分析。分析了应力沿罐壁高度的分布情况,研究了储液的晃动、油罐的提离、油罐的滑移和罐壁加速度放大等现象,并得到了提离与晃动波高、轴向压应力之间的关系,以及比较了等壁厚和变壁厚模型对地震响应的异同等。(3)利用等壁厚模型和简谐波加载研究“象足”屈曲破坏的行为。研究结果表明：“象足”屈曲是弹塑性局部屈曲,是环向应力和轴向应力联合作用的结果。发生的条件是环向应力接近或者MISES应力超过材料的屈服应力,同时轴向压应力超过许用临界应力。油罐发生“象足”屈曲时,罐壁变形非常大会带动底板一起变形,底板也可能会发生塑性屈服破坏。(4)研究环向应力对“象足”屈曲的影响。研究结果表明：只有环向应力接近或MISES应力大于材料屈服应力时,油罐才会发生“象足”屈曲；环向应力越大,油罐越容易发生“象足”屈曲,在环向应力不高时,即使轴向压应力较大也不易发生“象足”屈曲。并从液面高度、载荷特征周期、载荷类型和载荷作用方向等方面研究动水压力产生的环向应力对“象足”屈曲的影响。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 非锚固油罐抗震研究简介
• 1.2.1 地震对油罐的破坏形式
• 1.2.2 油罐抗震研究方法介绍
• 1.3 国内外非锚固油罐抗震研究进展
• 1.3.1 油罐地震响应研究的进展
• 1.3.2 非锚固油罐提离理论模型研究的进展
• 1.3.3 油罐"象足"屈曲研究的进展
• 1.4 本文主要研究内容和方法
• 2 油罐抗震理论和有限元相关理论
• 2.1 油罐工程抗震设计的基本理论
• 2.1.1 刚性基本理论
• 2.1.2 弹性基本理论
• 2.1.3 三质点力学模型理论
• 2.2 有限元方法和理论
• 2.2.1 接触碰撞算法
• 2.2.2 Lagrange、Euler和ALE算法
• 2.2.3 流固耦合算法
• 2.2.4 大变形动力学数值计算方法
• 2.3 地震波相关理论
• 2.3.1 地震反应谱
• 2.3.2 人工地震波拟合
• 2.4 小结
• 3 中美日油罐规范对"象足"屈曲控制的比较分析
• 3.1 美国石油协会规范API 650
• 3.1.1 罐壁底部轴向压应力和环向应力计算式
• 3.1.2 "象足"屈曲的控制
• 3.2 日本钢制焊接油罐规范JIS B 8501
• 3.2.1 罐壁底部轴向压应力和环向应力计算式
• 3.2.2 "象足"屈曲的控制
• 3.3 立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范GB 50341
• 3.3.1 罐壁底部轴向压应力计算式
• 3.3.2 "象足"屈曲的控制
• 3.4 钢制常压立式圆筒形储罐抗震鉴定标准SH/T 3026
• 3.4.1 罐壁底部轴向压应力的计算式
• 3.4.2 "象足"屈曲的控制
• 3.5 十五万方油罐抗震计算算例
• 3.5.1 十五万方油罐参数
• 3.5.2 十五万方油罐抗震计算
• 3.6 小结
• 4 十五万方油罐的地震时程响应分析
• 4.1 有限元模型
• 4.2 地震波简介
• 4.3 基于8度远震作用下的油罐动力时程响应分析
• 4.3.1 MISES应力时程
• 4.3.2 晃动波高时程
• 4.3.3 轴向应力时程
• 4.3.4 提离时程
• 4.3.5 加速度放大效应
• 4.3.6 油罐滑移
• 4.4 基于多遇地震和罕遇地震作用下的油罐动力时程响应分析
• 4.4.1 多遇地震作用下的MISES应力时程
• 4.4.2 罕遇地震作用下的MISES应力时程
• 4.4.3 罕遇地震作用下的晃动波高和提离时程
• 4.4.4 罕遇地震作用下的轴向应力时程
• 4.5 等壁厚和变壁厚模型比较
• 4.5.1 等壁厚的MISES应力时程
• 4.5.2 等壁厚晃动波高时程
• 4.5.3 等壁厚提离时程
• 4.5.4 加速度放大效应
• 4.6 小结
• 5 环向应力对"象足"屈曲行为的影响
• 5.1 "象足"屈曲行为分析
• 5.2 动水压力产生的环向应力对"象足"屈曲影响
• 5.2.1 液面高度的影响
• 5.2.2 载荷特征周期的影响
• 5.2.3 载荷类型的影响
• 5.2.4 载荷作用方向的影响
• 5.3 小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者简历