大型LNG儲罐隔震簡化計算方法

2022-07-06 14:00:24楊淋亦李光輝中國成達工程有限公司成都610041

化工設計 2022年3期

楊淋亦李光輝中國成達工程有限公司成都 610041

由于全球清潔能源的需求，各國對LNG的消耗持續增加，LNG儲罐的建設越來越大型化，但由于LNG具有易揮發、易燃、易爆等特性，一旦發生泄漏將產生極大的災害，所以,對LNG儲罐的設計有著極高的要求。

LNG儲罐有多種形式，目前國內較為常用的有全容罐和薄膜罐。這兩種罐體皆由混凝土外罐、金屬內罐以及保溫材料組成。基礎多采用高承臺樁基礎,以防止低溫LNG液體對土體的凍脹破壞。由于LNG儲罐的重要性，在抗震上采用中震彈性、大震不屈的抗震設防目標。對于場地烈度較高時，在地震作用下，上部結構及下部基礎都難以滿足抗震設防要求。為使結構更加安全、經濟、合理，需對結構采取隔震措施。文獻介紹了LNG儲罐隔震技術，提供了可行的隔震工程設計方法。文獻[2-3]介紹了隔震支座在LNG儲罐中的地震響應分析，證明采用隔震支座能夠有效降低地震作用效應，采用隔震支座后能滿足工程設計需求。文獻研究了保溫層對隔震效果的影響，認為設計時需考慮保溫層對隔震的影響。文獻介紹了LNG儲罐的隔震時程分析方法。文獻提供了一種LNG儲罐基礎基于反應譜設計的簡化方法。目前國內對LNG儲罐隔震設計已經有了較多研究，但分析時多采用非線性動力時程方法，分析繁瑣，后處理復雜，不適用于工程設計。文獻也僅僅提出了適用于基礎的簡化設計方法，而未給出罐體的分析。鑒于此，本文將介紹一種采用彈性反應譜法來分析帶隔震支座LNG儲罐地震作用效應的工程計算方法。

1 液體作用計算方法

LNG隔震計算有其特殊性，與一般建筑結構計算不同的是：需要考慮LNG儲罐中的液體在地震作用時對罐壁所產生的效應。LNG儲罐中液體與儲罐之間作用為流固耦合作用，目前國內外學者已經進行了大量研究，提出了三種分析模型，分別為集中質量法、附加質量法、以及流固耦合分析法。

1.1 集中質量法

集中質量法是一種半解析半數值分析的方法，以液體在地震作用下的反應特性為基礎，通過理論公式,先計算出沖擊質量及晃動質量的大小和相應位置，再在有限元模型中采用等效質點質量來模擬其作用。該方法的優點是計算相對簡單，對軟件要求低，缺點是計算結果的準確性有所欠缺。

1.2 附加質量法

附加質量法也是一種半解析半數值分析的方法，與集中質量計算方法不一樣的是：該方法通過理論公式計算出地震作用下沖擊液體對罐壁的動壓力，在有限元模型中將該動壓力簡化等效質量附加在罐壁中，以分析液體在地震作用下對罐壁的作用。該方法的優點是計算相對簡單，對軟件要求不高，缺點仍是計算精確度不高，但由于將質量分布在罐壁上，其結果比集中質量法計算精度要高。

1.3 液固耦合法計算方法

液固耦合法是一種完全數值分析方法，利用有限元中的流體單元或靜流體單元直接進行動力分析，得到液體在地震作用下與罐壁的相互作用。該方法的優點是能得到儲罐內液體的真實動力特性，計算結果精確；缺點是對計算軟件的要求較高，要有能進行液固耦合分析的功能，計算相對較復雜。

1.4 沖擊質量及晃動質量的計算方法

LNG液體在地震作用下對罐壁的主要作用分為液體沖擊作用和液體晃動作用，對應于兩種不同作用的液體質量分別為沖擊質量和晃動質量，其質量分布見圖1。

圖1 LNG質量分布

在水平地震加速度下，一部分液體與罐壁一起運動，這部分液體質量稱為沖擊質量；另一部分液體不和罐壁一起運動，而是在罐內自由晃動，這部分液體質量稱為晃動質量。沖擊質量和晃動質量根據API650-2016計算如下。

(1)沖擊質量Wi：

當D/H≥1.333時，

當D/H<1.333時，

(2)晃動質量WC：

式中，D為儲罐直徑；H為液體高度；Wp為液體總質量。

2 LNG儲罐隔震彈性反應譜計算方法

本方法分為兩個階段進行分析計算。第一個階段為整體簡化分析，利用隔震支座力學特性以及隔震后儲罐結構特點，采用簡化單質點模型并利用理論公式對結構整體反應進行分析，從而得到各工況地震作用下隔震支座的位移，以及各工況下隔震支座的力學參數。第二階段為有限元詳細分析，將第一階段得到隔震支座參數帶入有限元軟件對罐體進行詳細分析，得到各工況地震效應的詳細數據，用于截面設計。最后通過兩階段計算得到的結果相互對比，驗證結果的準確性。

2.1 LNG儲罐整體簡化分析

LNG儲罐采用隔震支座后，由于隔震支座水平剛度相對于樁身水平剛度要小得多，且不用考慮抗彎剛度的影響，故可將LNG儲罐簡化成為單質點體系進行動力計算，該質點只考慮一個水平方向的自由度。在計算質點的等效質量時，應分為滿罐與空罐兩種情況。空罐時，質點的等效質量即為罐體質量；滿罐時，由于液體晃動質量在地震作用下產生水平力較小，分析中不予以考慮，此時質點等效質量為罐體質量和沖擊質量之和。其中液體等效質量計算見1.4。

為求得罐體在水平地震作用下的效應，需知支座的水平剛度。由于隔震支座和水平作用力的關系為非線性，需根據其力學模型進行詳細分析。隔震支座類型的不同，其計算模型也不同，在此，以鉛芯支座為例進行分析。按照規范《建筑隔震橡膠支座》(G/T 118-2018)，得到水平作用計算模型，見圖2。

其中，Qy、Ku、Kd、Dy為隔震支座固有參數。由上圖可知，隔震支座的位移與水平力為兩折線模型，此時可根據隔震支座固有參數以及假定結構在地震下的最大位移Dmax繪制出隔震支座滯回曲線(圖2)。根據曲線可計算出支座等效剛度Kh以及等效阻尼比ξ如下式。

圖2 隔震支座水平計算模型

Qmax=Kd·(Dmax-Dy)+Qy

ξ=W/(2πQmaxDmax)

式中，W為滯回曲線面積。

通過上式得到支座等效剛度Kh以及等效阻尼比ξ，利用結構動力學知識求得周期T，從而根據反應譜計算LNG儲罐總水平地震力F。計算出F后可回代求出支座位移D1，當Dmax=D1時，即得到整體結構地震作用效應的結果；當Dmax≠D1時，可取Dmax1=(D1+Dmax)/2進行重新回代，通過幾次回代便可得到正確結果。

通過上述計算以及后續處理，可得到LNG儲罐整體位移、自振周期、隔震支座等效剛度、等效阻尼比、地震作用下總水平力和彎矩以及樁的豎向力。此階段流程見圖3。

圖3 計算流程

2.2 LNG儲罐有限元詳細分析

第一階段可得到總體的地震作用效應，但得不到罐體各點的內力和變形，需進行第二階段對罐體本身進行詳細分析。由于在第一階段分析時，已經得到了對應于儲罐整體位移時的隔震支座等效剛度，在建立有限元模型時，直接將等效剛度作為參數輸入，用彈性反應譜法進行計算，得到罐體各點內力以及位移。經過處理，進一步得到罐體整體受力結果。此時將第一階段結果與第二階段結果相比較，驗證簡化模型的合理性。

3 計算實例

3.1 計算參數

3.1.1 罐體參數

LNG混凝土外罐的尺寸如下：罐壁內徑為86.8m，罐壁高為46.1m，自承臺頂向上7.2m處，罐壁厚由1.2m減至0.72m，7.2m以上壁厚0.72m，C50混凝土；穹頂內徑為86.8m，厚度為0.5m，C45混凝土；承臺直徑為93.2m，厚度為1.2m～1.6m，C45混凝土，詳見圖4。LNG儲罐由401個鉛芯隔震支座支撐于樁頂。