大型液化天然气储罐隔震减震措施分析

屈长龙，张超，陈团海

（中海石油气电集团有限责任公司，北京 100027）

20世纪70年代以来，世界液化天然气（LNG）产量和贸易量迅速增加，而随着能源结构的改变以及环境保护的需要，国内液化天然气的用量也迅速增加，LNG相关的产业、设备设施和技术都开始快速发展。

存储规模 10万立方米以上的大型以及超大型的液化天然气储罐是 LNG产业链的重要设施，在液化厂、接收终端都起着重要的作用。实现液化天然气（温度−162℃）的大规模储存对于LNG生产、利用以及能源安全都有积极意义。

国内的大型液化天然气项目建设越来越多，厂址的地质和地震条件变得越来越复杂，如唐山LNG、天津浮式LNG项目地震参数极高，而LNG储罐的安全要求等同于核电设施[1]，这就需要使用有效的隔震措施来进行大型LNG储罐的设计建造。

在民用建筑结构中，隔震、减振消能和振动控制研究已经比较成熟和普遍，其中使用的隔震标准、优化设计方法、结构的细部构造、隔震产品设备都可以使用在大型 LNG储罐中，可以为在地震高烈度区建设LNG项目提供更有效解决方案。

国内的大型 LNG储罐均为全容储罐，其内罐由9%Ni钢焊接而成，外罐由预应力混凝土罐壁、混凝土拱顶、承台组成。混凝土外罐内壁有一层碳钢衬里，起气密作用。内外罐之间环形空间填充绝热保冷材料。

LNG储罐设计的关键是储罐的结构设计，而地震工况常常为储罐结构设计控制工况。为了降低结构在地震作用下的响应，目前设计中大多采用传统的物理隔震方法进行抗震，并没有分析储罐结构本身的特点，难以达到较好的隔震效果。为了更为精确地掌握储罐抗震设计的根本，本文在了解地震理论的基础上，结合LNG储罐本身的结构体系特点，开创性地提出用于 LNG储罐反应谱分析的标准复合模型，该模型包含主动隔震和被动隔震的理念，能够为储罐的抗震设计提供一套切实可行的工程设计方法。

1 物理隔震抗震方法

一般建构筑物的隔震抗震方法有基础隔震技术、减震消能技术、主动控制等[2]。综合来讲，现有的抗震技术均是从基础、结构本身、外部干涉三方面来降低地震对构筑物的影响。以此为思路，大型液化天然气储罐也可以从这三方面进行隔震、减震。

1.1 基础隔震措施

天然地基土层在一定条件下具有隔震减震性能[3]，从理论上讲，主要是地震波在土层中传播的衰减，许多文献认为砂垫层、砂砾石垫层、橡胶垫层等可以作为地基隔震减震材料[4-6]。但是，这种加垫层的地基隔震方法不适合于桩基础构筑物使用，尤其对于带有桩基础的大型 LNG储罐。地震所产生的水平力需要依靠地表以下 4～6m 的土层对桩挤压来承担，较弱的垫层会大大降低水平承载力，相较于垫层带来的隔震效应，水平承载力对于结构安全更为重要。

另外一种限制地震能量进入上部结构的基础隔震方法是采用人工制造的机械构件来实现的，如钢板橡胶支座、复位弹簧和平面滑板并联机构、摩擦摆体系等，这类的机械构件方案很多，其中以钢板橡胶支座应用最为广泛。这种结构目前也应用于大型 LNG储罐中，尤其在国内的地震多发地区，采用橡胶支座已经成为储罐设计的首选方案。保证结构本体安全是采用橡胶支座的重要原因，同时橡胶支座还可以降低上部结构的工程造价。橡胶支座对于结构隔震也有很多不足之处，主要是对竖向振动一般没有减振效果，对长周期水平振动存在共振危险性，前者主要影响上部结构，后者则影响到隔震支座本身的安全。同时，由于橡胶支座没有系列化和标准化，给大范围推广应用带来了很多不确定性。

1.2 结构减震消能

减震消能一般是在结构物中设置消能装置，通过这些装置和元件吸收、耗散地震能力，达到主体结构防震的要求。目前可以选用的设备主要包括摩擦阻尼器、钢制阻尼器、调谐阻尼器等，从本质上说这些设备的原理就是增加结构阻尼、改变结构刚度以达到防震的目的。这些构件的设置要具备一个基本条件，就是必须为结构非承重构件，所以这种防震方式主要应用于混凝土框架、钢结构、高层及超高层结构、隔震建筑等。

在大型液化天然气储罐上很难找到这种结构非承重构件作为减震效能构件，但可以考虑如何增加结构阻尼达到减震消能的目的。在环形空间安装阻尼器、内罐中增加支撑以消减罐内 LNG晃动等，均可以达到减震消能的目的。但限于液化天然气储罐低温以及全容储罐特殊内罐材料的特点，这些方法暂时未在大型LNG储罐中找到合适的应用方式。

安装减震消能装置，不但可以提高防震水平，还可以优化设计，有效降低工程造价，如有文献表明，环形空间阻尼器可以降低晃动波高50%左右[7]，这就可以降低储罐高度，节省工程投资，也使结构的抗震性能更好。

1.3 主动控制技术

主动控制技术是近年来计算机模拟技术发展进步的产物，随着研究的不断深入，现有的主动控制算法变得越来越“复杂”，控制技术也显得越来越“智能”，但真正的主动控制技术在工程中的应用并不多。究其原因，主要是其系统复杂，可靠性无法确定，并且需要输入巨大的控制能量才能抵抗地震作用。

对于大型 LNG储罐来说，这一技术同样难以工程应用。据初步估算，对于一座1.6×105m3的LNG全容储罐，一次 7度设防地震的震动将消耗2.0×1010J能量，完全依靠主动控制来防震是很困难的，但可以将这一技术应用在储罐的重要结构和设备上，如罐顶钢结构、吊机等。

2 隔震理论

除了物理隔震方法外，还可以寻求更准确的隔震理论，目前主要有两种方法：主动隔震和被动隔震。与物理隔震的思路相似，主动隔震理论是指减少设备震动施加给基础的力幅；被动隔震理论是指降低设备在基础运动下所产生的位移幅值。下文用一个带阻尼的单自由度系统分析主动和被动隔震系统，分析两个原理在LNG储罐中的应用。

2.1 主动隔震

如图1所示为主动隔震示意图，在图1(a)中质量为m的物体，受到一个交变力P(t)的作用，设P(t)为谐和形式，可表示如式（1）。

若物体直接作用在基础上，则基础受到的交变荷载的力幅为H。

若在物体与基础之间增加隔震装置，如图1(b)所示，设隔震装置的弹性系数为k，阻尼为c，则“物体-隔震装置-基础”形成一个带阻尼的单自由度强迫振动系统，可用式（2）表示。

式中，x为物体运动位移。

求解上式二阶微分方程，位移x可表示如式（3）。

式中，B0为力幅静变形，β为振幅放大因子，这两个参数的表达式如式（4）、式（5）。

图1 主动隔震示意图

式中，γ为扰频ω与固有频率p之比；ξ为阻尼比，可表示为式（6）。

根据位移表达式可计算出基础承受弹性力Fk和阻尼力Fc，分别如式（7）、式（8）。

可知Fk和Fc的相位差为π/2，则这两者的合力F如式（9）。

式中，力幅Hd和相位角α如式（10）。

基础受到的力幅Hd和交变荷载的力幅H之比为传递率η，可表示为式（11）。

传递率η即表示了主动隔震的效果，只有η<1才能起到隔震效果，且η越小，隔震效果越好，故在制定隔震措施或者设置隔震装置时，应该尽量降低荷载传递率η。

2.2 被动隔震

如图2所示为被动隔震示意图，由图可知被动隔震在该振系中，基础A以位移y(t)运动，振体m的绝对坐标为x(t)。其中y(t)与x(t)同向，(x-y)与(?-?)分别为振体m相对于基础A的位移和速度，则由牛顿定律可知，振体的绝对运动微分方程如式（12）。

图2 被动隔震示意图

记：P(t)=ky+c?，则可知振体的扰力P(t)由基础运动的位移和速度产生。

设基础运动为谐和形式，即设

将y(t)的表达式代入（14），可振体的稳态响应x(t)如式（15）。

βd为振幅放大因子，可表示为式（16）。

在被动隔震中，振幅放大因子βd即为隔震系数η，如式（17）。

可知被动隔震的隔震系数表达式与主动隔震一致，也只有当η<1才能起到隔震效果。

2.3 储罐隔震原理

2.3.1 未设置隔震装置时地震响应计算

根据储罐抗震设计理论，对于未设置隔震装置的储罐，可以将其结构简化为多质点振系，每个质点对应不同的等效刚度k和等效阻尼C，质点的选取可以根据不同构件的设计需要而定。结合上两节的论述，不同质点的振幅放大因子β可表示为式(18)。

随后可采用均方根法计算储罐地震响应的最大值，包括最大基底剪力和倾覆力矩。

2.3.2 设置隔震装置后地震响应计算

在储罐承台与基础之间设置隔震装置后，其振动系统增加隔震装置的等效刚度kd和等效阻尼Cd。隔震装置振系分别与其它质点形成串联系统，此时隔震装置振幅放大因子βd可表示为式（19），计算方法与式（1）相同。

2.4 隔震效果分析

通过以上对设置隔震装置前后储罐最大基底剪力和倾覆力矩的计算，可计算出设置隔震装置后最大基底剪力放大系数ηQ和倾覆力矩放大系数ηM为式（20）、式（21）。

可知ηQ和ηM均为隔震装置对应的振幅放大因子βd，只有当βd<1才能起到隔震效果，而根据βd的表达式可知当整个振系的频率比γd＞ 2时，βd<1。

根据γ的定义可知，γd为地震频率与设置隔震装置后储罐的固有频率之比，由于地震频率没法改变，因此要增强隔震效果，只能通过改变隔震装置的特征降低储罐振系固有频率。

3 设计防震

无论是物理隔震方法，还是各种隔震理论，最终都要转化到设计应用中，为工程建设服务。

3.1 物理隔震计算

目前常用储罐的物理隔震方法就是加装橡胶支座，隔震支座对结构设计的影响主要体现在对刚度以及阻尼比的修正，其设计原理为：①减小侧向刚度，使基础约束放松，使结构的自振周期延长而减少地震响应；②橡胶支座的阻尼比增大，降低反应谱的峰值。

橡胶支座的刚度一般可以通过式（22）计算。

式中，E为橡胶弹性模量；A为橡胶支座面积；h为橡胶支座厚度。

有效阻尼比也可按照式（23）计算。

式中，ξa为有效阻尼比；Wc为往复一周消耗的能量；Ws为总应变能。

刚度和有效阻尼比还有很多公式可以确定，对于大型 LNG储罐来说，橡胶支座一般是针对项目要求定制的，试件实验往往是最有效直接的取得刚度和阻尼的办法。

橡胶支座的这种计算理论和方法也可以应用在其他物理隔震方法中，环形空间安装阻尼器，也可以从刚度和阻尼两方面来考虑隔震作用。

3.2 理论隔震在设计中的应用

理论隔震方法主要通过各种简化力学模型和反应谱来实现，用反应谱理论进行 LNG储罐设计已经被广泛认可。整个储罐的力学模型可以概括为以下形式，包括内罐、外罐以及土壤的不同作用，文献[3]、文献[8]～[10]等有对这些模型和反应谱进行了深入的论述，对模型有不同程度的简化。总之，对于工程设计来讲，简单有效是最好的选择。图 3所示是 LNG储罐抗震设计的标准复合模型，这个模型包括主动隔震和被动隔震的理念。

图3 LNG储罐抗震设计的标准复合模型

在上述复合模型下确定了阻尼和响应系数即可完成LNG储罐隔震设计。

4 结 论

（1）理论上，现有的储罐物理隔震方法都可以应用在大型 LNG储罐上，但目前只有橡胶隔震支座有过应用，其余隔震方法尚需开发和研究，本文给出了开发的基本思路和理论支持。

（2）大型LNG储罐的隔震理论和方法与其他建构筑物并无不同，对隔震理论进行深入研究可以提高 LNG储罐的理论分析水平，但过于复杂的隔震理论不适合于储罐工程设计。

（3）简单有效的工程设计方法是所有研究的最终目的，建立在标准复合模型上的反应谱分析都能得到准确的结果，可以在此基础上做进一步的优化以进行不同构件的设计。

（4）抗震隔震是一个系统工程，需要物理隔震方法和隔震理论共同发展，才能促进储罐工程技术进步，片面的追求某一方面是不合适的。

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