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k8橡胶垫与基底钢筋沥青并联隔震立式储罐动响应

发布时间:2020-09-29 04:12

  橡胶垫与基底钢筋沥青并联 隔震立式储罐动响应分析 (1.大连海事大学道路与桥梁工程研究所。辽宁大连.116026: 2.大连民族学院土木建筑工程学院,辽宁大连,116600;3.东It 石油大学土木建筑工程学院.黑龙江大庆,163318) 摘要:立式钢制储罐在地震作用下破坏严重,损失较大.根据立式钢制储罐环粱基础的结构特点,构建了橡胶垫与基底 钢筋并联的隔震新体系。考虑地基土的平动和转动,将立式储罐基础隔震体系简化为五自由度力学模型,并依据 Hamiiton 原理建立其控制方程。选取典型高径比的储罐,采用数值分析方法对其进行了地震动响应分析。结果表明:储罐 新型基础隔 震体系能够降低储罐的地震响应,设计时针对不同储罐需要综合考虑各种因素选择最佳场地、隔震基频、阻尼比 关键词:立式储罐:环粱基础;并联隔震;地震动响应SEISMIC RESPONSE PARALLELISOLATION VERTICAL SToRAGE TANKS BASESTEEL ASPHAl CuiLi.ful,Zhao Ying.hual,Sun Jiangan92,Zhao Chang-jun3,Zhang Yin93 (1.InstituteofRoad andArchitectureEngineering,DalianNa PetroleumUniversity,Daqm9163318。China)Abstract:The vertical steel storage tanks severedamaged under earthquake action.A new isolation system rubberpad basesteel according structuralcharacteristics ringbeam foundation.The vertical storage tank base isolation system simplifiedfive degrees freedommechanical model considering Hamiltonprinciple,control equation isolationstorage tanks established.Seismicresponse analysis carriedout numericalanalysis selecting typical height-radius ratio storagetank.The results show newbaSe isolation system storage tank can reduce seismicresponse.It variousfactors bestsite,isolation fundamental frequency,damping ratio height-radiusratio when differentstorage Keywords:vertical storage tanks;ring beam foundation;parallel isolation;seismic response 立式钢制储罐在地震作用下会出现提离、象足屈曲、菱形屈曲和浮顶破坏等严重震害。国内外学者针 对储罐己进行了刚性基础和考虑十壤弹性作用的多方面研究 Il 一钉,并在储罐设计规范中引用。然而,由于 种储罐体积大,薄壁、基础多为浮放,其地震动响应复杂,即使经过抗震设计的储罐,由于地震的不确定 性,仍有储罐在地震中发生破坏。鉴于此,人们引申土木工程中的结构控制思想,以期储罐在罕遇的地震 动作用下动响应降低,避免复杂的动效应出现。由于其结构的特殊性,难于实施主动控制,研究者多以被 动控制为切入点。对于储罐的被动控制研究,国内外学者 p.9】采用多种隔震体系对储罐进行了大量对比研究, 取得了较多有益的成果。 作者简介:+崔利富(1982 一)-男,黑龙江人。博士生.主要从事防灾减灾工程及防护T 程研究(Bmail:); 赵颖华(1954 一)。女.辽宁人,教授,博七.博导,从事工程力学研究(E-majI: 7/]、建闷lJ(1959--)t男-黑龙江人.教授.博士.博导.t 要从事防灾减灾工程及舫护T 撑研究(E—mail: ) 赵长军(1983 一).男。黑龙江人。硕士乍.j 三要从书结构工程研究: lII.01l本文根据立式储罐环梁基础的结构特点设计一种新型的隔震结构体系,考虑土与结构的相互作用,建 立力学简化模型,依据H锄ilton 原理,推导系统运动方程,选取系列储罐研究隔震层参数以及储罐高径比 对减震效应的影响。 基本理论1.1罐的几何坐标系 立式圆柱形罐,薄壁壁厚h,半径 R,高度日,液体高度日,,圆柱坐标系统,如图l 1.2立式钢制储罐环梁橡胶垫与基底钢筋并联基础隔震体系 立式储罐基础隔震体系由橡胶垫隔震与基底.钢筋沥青隔震并联构成的(图2),这样可以综合利用两 种隔震装置的特点,减少隔震层造价,起到减震目的。 1.3 简化力学模型 上部结构【5J 将罐内液体质量简化为对流质量(改变上部自由液体表面的质量)m。、脉冲液固耦联质量(沿 储罐壁振荡中间液体质量)所 和刚性质量(沿储罐壁做刚性运动液体质量)所o;等效高度分别为风、凰 及阻尼常数岛、ci与储罐壁连接。下部土壤 f2l 化为平动的弹簧钿和阻尼cII,转动的弹簧%和阻尼气。隔震层刚度和阻尼分别为%和CO。‰l 和rob2 分别为隔震 层的上下垫梁,其等效高度取为凰。基础滑移位移、液固耦联位移、对流晃动位移、地面运动位移分别为 粕O)、而(f)、tO)和略O)。最终力学模型见图3。 五自由度简化力学模型1.4 系统控制方程 根据结构动力学中的H 锄ilton原理,得五自由度体系的运动控制方程为: 式中:扣一罐体绕中心的转动惯量。1.5 基底剪力、倾覆力矩、波高 当储罐遭受地面运动(,)时,动水压力作用于罐壁对罐底将产生基底剪力和倾覆力矩,对液体表面产 生晃动波高。基底剪力、罐壁倾覆力矩、晃动波高是储罐抗震设计的重要控制指标,对于图3 所给出的 学模型,基底剪力、倾覆力矩、晃动波高(取一阶振型)为:llI.012 oHok(,)+h +‘(fl+os37‘o)k 地震波选取和控制方程求解方法选取E1.Centro 波(图4)作为地震动输入,运动方程(I)用Wilson 数值分析法求解,隔震层采用等效线 本构关系。a)输^的Elntro (b)输^的Elnlro破频谱特 图4Eletm地震波 地震反应分析对丁储罐隔震研究.关注的问题是基底剪力、倾覆力矩自 晃动波高减罐效果。基底剪力、倾覆力矩反应地震作用罐鲢产生的应力效应,晃动波高反应储液面需要足够的自由空间。为此,本文选取不同容积的 储罐.具体参数和等效质量与等效高度见文献[51.将着重研究基底剪力、k8倾覆力矩、晃动渡高喊震效应一 并分析隔箍层参数、场地、储罐高径比对隔震效应的影响。 50000m3储罐为例.隔腱层阻尼比为 01,隔震基频为 2rad/s,在 E1.Cel]tro 波峰值加速度为 为150000m3储罐动响应曲线 为其动响麻频谱特性。 a)幕底剪力(b)诸壁倾覆弯矩 50000m3储罐动^自 I.013 a)非隔震刚性脉冲质A,al速度额谱 (b)隅震刚性脉冲质点加建度频谱(c)非隔震液围耦台质点加速度颖罄 517Hz ..1M^一,d)隔震液崮耦台质点加建度频谱(c)隔震晃动质点加速度频谱 (f)隔震晃动质点加速度频谱 中可以看出.150000m’储罐采用基础隔震体系,基底剪力、罐擘倾覆弯矩和晃动被高都有明 465Hz减小到0 537Hz,液固耦合质 点的卓越 频率由I 459Hz 降低到 周期振动。非隔震与隔震储罐晃动质点的卓越频率几乎相近,说明隔簏措施不 能很好的控制晃动质点的加速度响廊。 不同场地地震波对储罐地震响应对比分析选取文献 f5 】中系列储罐,研究隔震屡阻尼比为 I.隔震基频为2rad/s,按规范要求选取与四种场 相对席地震波.在峰值加速度为049 作}进行地震响应分析。目 缝响应对比。一一 币同场地地震波对储罐地震响H减震率* 咀上的储罐,I类场地、11 类场地目III 地减震效果展小;同一场地.储罐体积不同.隔震效果也不同.这说明,储罐的减震效果与地震波频谱特性和储罐隔震周期密切相关。针对不同场地需要优化设计。 不同阻尼比对储罐地震响应对比分析选取文献【5】中系列储罐,研究隔碇层阻尼比分别为 4.隔震基频为2m 加速度为0.49 为不同隔震层阻尼比对储罐地震响麻 对比分析。 ar见,隔建层阻尼比不同,隔震储罐基底剪力和罐壁倾覆弯矩的减震效果不同.针对不同体积 储罐,存在阻尼比的合理优化段,阻尼比对晃动波高的减震率影响不明显。 不同隔震基频对储罐地震响应对比分析选取文献【5】中系列储罐.研究隔震层阻尼比为 1.隔震基频分别为irad/s、2rad/s、3 rad/s 和4rad/s, 在峰值加速度为 0.49 El—ccnt._o波作用 F+对其进行地震响席分析,如图 不同高径比封储罐地震响应影响分析选取 150000m’储罐.研究隔震层阻尼比为 0j,塌艘基频为 2rad /s.储罐高径比为 0.4~3 2,在峰值加 速度为 0.49 El-cefltro波作用 ,进行地震响应分析;图10 为高径比不同对储罐地震响应的对比分析。 从图10可以看出,同样体积储罐,高径比不同,其地震响应也不同。基底剪力主要用于设计下部基 础,而罐壁倾覆弯矩主要用于验算罐壁的轴向应力,晃动波高用于保证自由液面的足够空间。对于非隔震 储罐来说,基底剪力、罐壁倾覆弯矩和晃动波高都存在优化段,设计时需要综合考虑选取最佳的高径比; 对于隔震储罐来说,矮罐的基底剪力和罐壁倾覆弯矩较小,晃动波高随着储罐体积的增大先减小再增大存 在优化段,设计时同样需要综合考虑选取最佳高径比。此外我们可以看出,当前我国所设计的150000m’ 储罐的高径比为0.402是比较合理的。 结论本文根据建立的隔震储罐力学模型,推导了动力方程,选取不同容积的储罐,采用数值分析法着重分 析了隔震层参数、场地、储罐高径比对隔震效应的影响,主要得出如下结论: (1)隔震储罐能避开场地的卓越频率。避免发生类共振现象,降低储罐的地震响应。 (2)隔震储罐的减震效果与场地地震波频谱特性和储罐隔震周期密切相关,针对不同场地需要优化 设计。 (3)针对不同体积储罐,隔震层阻尼比存在合理优化段,同样体积的储罐,隔震设计时应选取最佳 参考文献:Il 项忠权,李清林.立式储罐抗震M.北京:地震出版社,1990.【2】Haroun MA.Parametric StudyofSeismic Soil-Tank alExcitation【J】.ASCE,1992。118(3):783--797. 刘焕忠,李青,庄茁.发展附加质量模型应用于储液罐的动力分析明.工程力学,2005,22(增刊):16l—171.[41 Haroun,M AHousner,G w.Earthquake response ofdeformable liquid storage tanks[Y1.ASME J.Appl.Mech.,1981、48(2): 41l--418. f5 K.blewmethod seismicbase isolation liquidstorage tanks【J】.Earthquake Engineering Dynamics,1997,26:839--847. 【7】Wang W.Seismicisolation ofrigid cylindrical tanks using frict io pendulumbearing 【JJ.Earthquake Engineringand Structural Dynamics,2001,30:1083—1099. f8】Shrimali S.Seismicresponse liquidstorage tanks isolated slidingbearings【J】.Eng.Streut2002,24(7): 907—919. 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