非锚固圆柱形储液罐地震模拟及提离响应实验研究

摘要

大型立式非锚固圆柱形储液罐凭借其投资少、占地面积小、呼吸损耗小、能耗低和便于操作管理等优点，在石油储备基地中被各国广泛采用。其在使用中的安全可靠性极为重要，地震中储液罐一旦遭到破坏，将带来重大的经济损失和环境污染，甚至危及生命安全。
　　 本文在国家“863”高技术研究发展计划重点项目(项目编号:2009AA044803)、国家科技支撑计划项目（项目编号:2011BAK06B02）的资助和支持下，基于非锚固钢制圆柱形储液罐模型进行地震模拟实验，综合考虑了多种因素的影响，系统地研究了地震动作用下模型罐系统的提离响应，开展的主要工作如下:
　　 (1)完成了圆柱形钢制非锚固储液罐模型的大型地震模拟实验。详细介绍了实验过程和数据处理方法。系统地阐述了实验中所选用的实验设备、实验方法、模型罐设计和制作、传感器、数据采集系统、测点布置方法、实验用地震激励及其输入方法等实验基本情况。实验模型系统包括空罐模型、半罐模型、满罐模型和浮顶罐模型。地震激励种类包括实测天然波、人工拟合波、白噪声波和简谐波。
　　 (2)测试分析了模型罐的加速度动态响应情况;阐述了加速度时程实验数据的分析方法;解决了多台采样设备的不同步及测量结果存在差异这一实验研究中普遍存在的问题;以加速度实验结果为基础研究了各模型罐频谱特性，详细阐述各模型罐频谱分析的方法和实验结果;应用ANSYS有限元软件进行数值模拟，得到了各模型罐系统的低阶频率和基本频率;参照国家标准设计规范中的方法计算得到半罐和满灌模型的基本频率;将实验、数值模拟和设计规范计算结果进行比较研究，并分析了三者存在一致性和差异的原因。
　　 (3)研究了地震动的多维性对模型罐竖向绝对位移和提离响应的影响。提出应同时关注罐体竖向绝对位移和罐体提离情况;比较一维不同方向激励对模型罐响应的影响，提出开展多维地震激励下模型罐动态响应研究必要性;比较一维激励和多维组合激励对模型罐响应的影响，研究表明多维组合激励下模型罐提离值甚至高于不同方向的一维激励作用下提离值之和;并进一步研究了多维组合激励中Z向分量的变化对模型罐动态响应规律的影响，提出Z分量的变化对提离响应的影响明显。
　　 (4)研究了多种因素对模型罐动态响应规律的影响。将储液高度、有无浮顶情况、地震波加速度幅值、地震波频率、场地类别等因素作为可变参数，实验得到各因素以及它们联合作用下的位移和提离响应行为规律和数学表达式。
　　 (5)实验得到不同工况下的动液压力时程数据，提出在地震动作用下，应用雨流计数法，同时以实验测得的压力均值、压力幅值和有效幅值的累计循环次数共同描述动液压力的强度，研究其与储液罐提离响应的关系。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究的工程背景和意义

1．2 非锚固浮顶油罐的结构特点

1．3 国内外研究历史和现状

1．3．1 储液罐的震害调查及其特点

1．3．2 储液罐的抗震研究

1．4 现有研究的不足

1．5 课题来源与主要研究内容

1．5．1 课题来源

1．5．2 主要研究内容

2 实验设备调研及相关理论

2．1 地震实验方法研究

2．1．1 传统抗震实验方法

2．1．2 混合抗震实验方法

2．2 地震模拟振动台

2．2．1 振动台系统

2．2．2 振动台台阵系统

2．3 地震输入信号的选择和设计方法

2．3．1 地震和地震波

2．3．2 地震波的选择

2．3．3 地震波的场地类别

2．3．4 人工地震波的拟合

2．4 本章小结

3 储液罐模型系统的地震模拟实验

3．1 地震模拟实验目的和方法

3．2 地震模拟振动台介绍

3．3 模型罐设计与制作

3．3．1 模型罐几何参数设计

3．3．2 模型罐种类

3．3．3 模型罐材料及壁厚设计

3．3．4 振动台保护装置设计

3．3．5 模型罐的制作和运输

3．4 数据的采集

3．4．1 数据采集系统

3．4．2 传感器的选择

3．4．3 测点的布置

3．4．4 传感器的布置

3．5 地震输入信号的选择和设计

3．5．1 地震波的数量

3．5．2 地震波的动力特征

3．5．3 实验用地震波场地类别介绍

3．5．4 实验用地震波介绍

3．6 实验工况

3．7 实验过程

3．8 本章小结

4 模型罐加速度及频谱研究

4．1 加速度时程分析

4．1．1 加速度时程研究方法的探索

4．1．2 经处理后的加速度时程曲线及实验结果分析

4．2 实验频谱分析

4．2．1 实验频谱研究方法的探索

4．2．2 空罐频谱分析

4．2．3 半罐频谱分析

4．2．4 满罐频谱分析

4．2．5 浮顶罐频谱分析

4．2．6 不同工况下频谱比较

4．3 有限元模拟及设计规范频谱分析

4．3．1 结构频率计算的理论方法

4．3．2 结构频率计算的分析模型

4．3．3 实验用模型罐材料力学性能实验

4．3．4 有限元模拟分析

4．3．5 设计规范频率计算

4．3．6 实验、数值模拟、设计规范结果比较分析

4．4 本章小结

5 地震动多维特性对模型罐提高影响规律的实验研究

5．1 同时考虑储液罐竖向绝对位移和罐底部提离的重要性

5．2 模型罐竖向绝对位移和提离的测量原理

5．2．1 测量仪器——激光位移传感器的测量原理

5．2．2 模型罐绝对位移和提离的测量原理

5．3 模型罐提高实验数据的处理方法

5．4 X、Z向激励对提高响应影响的比较

5．4．1 半罐模型位移和提高时程曲线

5．4．2 满罐模型位移和提高时程曲线

5．4 ．3 浮顶罐模型位移和提离时程曲线

5．4．4 X、Z向激励下各模型罐位移和提离数据

5．4．5 X、Z向激励下各模型罐位移和提离响应分析

5．4．6 X、Z向激励下各模型罐提离响应规律量化分析

5．5 一维与二维激励对提高响应影响的比较

5．5．1 一维与二维激励下备模型罐位移时程曲线

5．5．2 一维与二维激励下各模型罐位移和提高数据

5．5．3 一维与二维激励下各模型罐位移和提离响应分析

5．5．4 一维与二维激励下各模型罐提离响应规律量化分析

5．6 二维组合激励中Z向分量加速度变化对提离响应的影响规律

5．6．1 Z向分量加速度变化对半罐模型位移和提离响应的影响

5．6．2 Z向分量加速度变化对满罐模型位移和提离响应的影响

5．6．3 Z向分量加速度变化对浮顶罐模型位移和提离响应的影响

5．6．4 Z向分量加速度变化对各模型罐提离响应的量化分析

5．7 本章小结

6 多种重要因素对模型罐提离响应影响规律的实验研究

6．1 地震激励频率对位移和提离响应的影响

6．1．1 频率对半罐模型位移和提离响应的影响

6．1．2 频率对满罐模型位移和提离响应的影响

6．1．3 频率对浮顶罐模型位移和提离响应的影响

6．1．4 频率对各模型罐提离响应的量化分析

6．2 地震激励加速度对提离响应的影响

6．2．1 加速度对半罐模型位移和提离响应的影响

6．2．2 加速度对满罐模型位移和提离响应的影响

6．2．3 加速度对浮顶罐模型位移和提离响应的影响

6．2．4 加速度对各模型罐提离响应的量化分析

6．3 液位高度及浮顶情况对提离响应的影响

6．4 实测天然地震波对提离的影响

6．4．1 地震反应谱和响应系数与模型动态响应关系的研究

6．4．2 各天然波激励下三种模型罐的位移响应研究

6．4．3 各天然波激励下三种模型罐的提离响应研究

6．5 本章小结

7 动液压力与模型罐提离动态响应关系的研究

7．1 雨流计数法原理

7．2 数据处理和分析方法

7．3 X向和Z向激励的动液压力比较及其与提离响应的关系

7．3．1 动液压力与半罐模型提离响应的关系

7．3．2 动液压力与满罐模型提离响应的关系

7．3．3 动液压力与浮顶罐模型提离响应的关系

7．4 一维和二维激励下的动液压力比较及其与提离响应的关系

7．4．1 半罐模型的动液压力与提离响应的关系

7．4．2 满罐模型的动液压力与提离响应的关系

7．4．3 浮顶罐模型的动液压力与提离响应的关系

7．5 浮顶对动液压力的影响及其与提离响应的关系

7．5．1 X向激励下有无浮顶对动液压力的影响及其与提离响应的关系

7．5．2 Z向激励下有无浮顶对动液压力的影响及其与提高响压的关系

7．6 本章小结

8 总结与展望

8．1 总结

8．2 创新点

8．3 展望

参考文献

作者简历

在读博士期间取得的科研成果和奖励