谈橡胶隔震支座性能及其对LNG 储罐的隔震效果

黄阳谷 唐革新 安平生

(1.株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007;2.宁夏路桥工程股份有限公司，宁夏银川 750000)

发展低碳、清洁的液化天然气产业是国家“十二五”能源发展战略的重要部分，截止到2020年，已建、在建和规划的大型液化天然气(LNG)接收站达到13个［1］。作为储存液化天然气的关键设备——大型LNG储罐，具有投资大、结构复杂、安全性要求高等特点，一旦在地震中发生破坏，容易导致泄露、火灾、爆炸等，造成重大经济损失和灾难性后果。在地震多发区，储罐抗震安全性显得更为重要，如1995年日本阪神地震以及1999年土耳其Kocaeli地震，造成了大量的储罐损坏［2］。储罐的抗震安全问题已成为各国学者、工程师最为关注的课题之一。

精确模拟地震作用下储罐的动态响应是非常困难的，还存在一些需要解决的问题，比如储罐内部与所储存液体的相互作用问题、竖向地震作用、液体大幅度晃动对储罐顶部的作用以及对底板的提离问题等［3-5］。由于储罐地震效应的复杂性，以及地震或者地震烈度的不确定性，寻找一种切实可行、安全可靠的储罐抗震技术显得尤为重要。隔震技术作为一种积极、有效的抗震策略已大量应用于房屋建筑与桥梁结构。1997年韩国、1999年希腊、2000年瑞典、2006年中国陆续建成隔震储罐。与房屋建筑与桥梁结构隔震相比，从技术研究到工程应用，储罐隔震技术相对落后。

本文研究内容分为两部分:1)橡胶隔震支座力学性能研究。为了保证隔震的有效性、可靠性，需要了解隔震橡胶支座的各种性能，对此，进行了多个项点的型式实验，包括相关性能、耐久性，以及极限性能测试，给出了部分实验结果。2)隔震效果分析。建立了16万m3隔震储罐结构的计算模型，依据反应谱反演地震波时程进行非线性动力分析，给出了隔震前后动力响应结果。所有研究结果可为相关设计、研究人员提供一定参考。

1 隔震橡胶支座性能研究

依据国家标准GB 20688.3要求，制作了直径600 mm，700 mm，800 mm的天然橡胶支座和铅芯橡胶支座，进行了剪应变相关性、压力相关性、加载频率相关性、老化性能、反复加载次数相关性、温度相关性、水平极限性能测试与徐变实验。限于篇幅，以下给出了600 mm直径铅芯橡胶支座部分实验结果。

1.1 剪应变相关性

图1给出了15 MPa下，水平性能与100%剪切变形时性能比值随水平剪应变的变化曲线。可以看出，随着剪应变的增大，支座屈服后刚度会逐渐降低，在小于75%剪应变时下降较为明显，而后有缓慢降低趋势。250%剪应变时的屈服后刚度与±100%时的比值为0.84。屈服力较稳定，变化率不超过8%。

1.2 压力相关性

图1 剪应变相关性试验结果

图2 给出了100%剪应变下，水平性能与15 MPa时性能比值随压应力的变化曲线。可以看出，随着竖向压应力的增大，屈服后刚度下降明显。25 MPa下屈服后刚度与15 MPa时的比值为0.66，而屈服力变化率不超过3%。

图2 压力相关性试验结果

1.3 加载次数相关性

图3 给出了100%剪应变、15 MPa竖向压下，水平性能与第3圈时水平性能的比值随加载圈数的变化曲线。50次加载后水平性能变化率不超过7%。

1.4 温度相关性

根据100%剪应变、15 MPa竖向压下，不同温度测试结果。与标准温度23℃的结果相比，随着温度增加，屈服后刚度和屈服力均下降。－20℃与标准温度条件下，屈服后刚度的比值为1.28，屈服力的比值为1.42。40℃与标准温度条件下，屈服后刚度的比值为0.95，屈服力的比值为0.85。

图3 加载次数相关性试验结果

1.5 老化性能

进行了热老化试验，老化前后水平力—位移滞回曲线的对比见图4。老化后屈服后刚度和屈服力变化不明显。

图4 老化性能测试结果

1.6 极限性能试验

图5 给出了15 MPa竖向压力，水平400%剪应变时的恢复力—位移滞回曲线。可以看出，大变形条件下支座未发生破坏，具有优异的水平变形能力。

图5 极限性能试验

2 隔震效果分析

如图6所示，以16万m3大型LNG储罐为研究对象。该储罐内罐直径约80 m，外罐壁高约38 m。下部采用桩基础，共安装356个橡胶隔震支座。隔震层上部结构总质量约108kg。要求隔震结构周期不小于2 s，隔震层最小阻尼比不小于10%。

2.1 模型建立

液体在柔性储罐中通常采用集中质量，亦即Haroun模型进行模拟。隔震储罐分析力学模型简化为如图7所示的三质点体系，其中，mi，ki，ci分别为脉动质点的质量、等效刚度和等效阻尼，mc，kc，cc分别为对流质点的质量、等效刚度和等效阻尼，mb，kb，cb分别为刚性质点的质量(包含储罐质量和底部液体沿着储罐壁做刚性运动的质量)、隔震层等效刚度和等效阻尼［6］。橡胶隔震支座采用Bouc-wen模型模拟。依据储罐所在地的地震烈度、场地类别等设计参数，确定设计反应谱，并反演为地震波(人工地震波)时程以进行后续非线性动力时程分析，如图8所示。SSE工况下人工波反应谱和期望反应谱的对比如图9所示，可看出在各周期点上误差较小。

图7 三质点基础隔震体系简化模型

图8 人工地震曲波

图9 反应谱曲线

2.2 地震响应分析结果

采用SAP2000进行地震响应分析，选择非线性动力时程分析方法。从图10可以看出，SSE水准地震荷载作用下，隔震后的基底剪力减小幅度达到80%，而对流质点水平向绝对加速度基本保持不变(见图11)。隔震层橡胶隔震支座滞回曲线饱满(见图12)。经计算，等效隔震周期为2.4 s，等效阻尼比约为20%，达到了预期隔震效果。

图10 隔震前后基底剪力对比

3 结语

对橡胶隔震支座进行了型式试验，试验结果表明，基于天然橡胶的隔震支座力学性能较稳定、耐久性和极限变形性能优良，是一种性价比较高的隔震装置。

图11 隔震前后对流质点加速度对比

图12 隔震层橡胶支座水平滞回曲线

采用橡胶隔震支座后，储罐基底剪力响应明显降低，对流质点加速度基本无变化，表明了隔震的有效性。

［1］邢 云，刘淼儿.中国液化天然气产业现状及前景分析［J］.天然气工业，2009，29(1):120-123.

［2］张瑞甫，翁大根，倪伟波，等.特大型LNG储罐抗(减)震研究发展综述［J］.结构工程师，2010，26(5):164-171.

［3］孙建刚.大型立式储罐隔震—理论、方法及实验［M］.北京:科学出版社，2010.

［4］陈建胡，陈玲俐，叶志明.基底隔震储液罐与地基相互作用地震反应分析［J］.油气地面工程，2008，27(12):31-33.

［5］谭晓晶.大型储液罐流固耦合地震反应分析［Z］.中国地震局工程力学研究所，2011.

［6］李自力，李 扬，李洪波.大型LRB隔震储罐地震反应参数研究［J］.四川大学学报，2010，42(5):134-141.