近断层区地震脉冲参数对立式储罐地震响应的影响分析

李想　孙建刚　崔利富　王振　刘伟兵

摘 要：为了研究近场地震动速度脉冲参数对立式储罐地震响应的影响，以15万方立式储罐为研究对象，建立有限元数值仿真模型，引入人工合成的近断层脉冲型地震动记录的方法，定量分析脉冲周期、脉冲峰值以及脉冲类型对立式储罐地震响应的影响特性和规律。结果表明：脉冲作用会使储罐动力响应明显增大；随着脉冲峰值Vp的增大，储罐的地震响应逐渐增大；脉冲周期Tp接近储罐自振周期时，地震响应明显被放大。A类脉冲对于储罐影响最明显，B类脉冲影响次之，C类最小。建议进行近断层区储罐抗震设计时，应该对比检验不同类型脉冲参数的影响，确保储罐地震安全。

关键词：立式储罐；近场地震动；速度脉冲；脉冲参数；地震响应

中图分类号： TU352；P315.92 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）24-178-2

0 引言

近断层区域[1-3]地震具有强烈的方向性效应以及速度脉冲，这主要是因为近断层地震动使得结构直接承受高能量冲击，尤其是长周期结构，往往造成难以恢复的大位移。立式储罐[4，5]其储液部分属于液固耦合长周期结构，一旦遭遇近断层长周期地震作用，很容易发生共振而造成储液的剧烈晃动和翻腾，极易导致石油泄露，造成很严重的次生灾害。文献[6]提出通过定义脉冲幅值、脉冲周期以及脉冲类型的方法来实现人工模拟近断层地震波。随着立式储罐数量的增加，长周期脉冲型近场地震下立式储罐的地震响应特性亟待研究。

本文以15万方立式储罐为研究对象，建立有限元数值仿真模型，引入人工合成的近断层脉冲型地震动的方法，定量分析脉冲峰值、脉冲周期以及脉冲类型对立式储罐地震响应的影响特性和规律，为更好设计出抵抗近断层地震动的立式储罐提供理论依据。

1 15万方立式储罐有限元模型

1.1 储罐基本参数

本文选取15×104m3立式储罐为研究对象，储罐罐壁高21.7m， 充水高度Hw=20.1m，重力加速度g=9.8m/s2。

材料属性：钢板的密度ρ=7800kg/m3，弹性模量E=2.06×1011N/m2。储罐内油的密度鉴于安全性的考虑取为ρ=1000kg/m3，弹性模量E=2.0×108N/m2。

1.2 有限元模型

储罐底板及罐壁采用壳单元，液体采用三维势流单元，基于上述关于模型的参数、单元选取，建立15万方立式储罐有限元模型（图1）。

2 近断层速度脉冲模拟和脉冲参数的选取

2.1 近断层速度脉冲模拟模型

对于人工合成近断层脉冲型地震波，将前向脉冲A，前、后向脉冲B和多环脉冲C的速度脉冲模拟函数定义为：

式中， Vp为速度脉冲峰值；Tp为脉冲周期，wp为脉冲频率。式（1）中A类地震波为单一向传播；式（2）中B类地震波为往返传播；式（3）中C类地震波波形具有多个往返。

为系统研究近断层地震脉冲参数对立式储罐的影响，以El-Centro波为底波（PGA=341.7cm/s2，PGV=39.04cm/s）采用上述公式构造出A，B，C三类等效速度脉冲，其中α=0.25，k=1，C类脉冲n=2.5。

2.2 脉冲模型参数选取

脉冲模型参数采用如下取值方案：①研究脉冲峰值Vp对立式储罐地震响应的影响时，选取A类脉冲，Tp=1s，Vp分别取50cm/s、70cm/s、100cm/s和125cm/s；②研究脉冲周期Tp的影响时，选取A类脉冲，Vp=75cm/s，Tp分别取0.5s、1s、2s和4s；③研究脉冲类型的影响时，Vp=75cm/s，Tp=2s，分别选取A类、B类和C类脉冲。

3 近断层脉冲参数对立式储罐地震响应分析

3.1 脉冲峰值Vp对立式储罐地震响应的影响

图2和图3为A类脉冲，Tp=1s时不同Vp近断层地震波和El-centro波激励下的动液压力和有效应力峰值分布。

从图2可以看出储罐的动液压力沿液体高度方向逐渐增大，动液压力越大液体作用在罐壁上的应力就越大，震害也越明显。随着Vp的增大，液体动液压力也随之增大， Vp=125cm/s时达到最大，峰值为161.8kPa，相比无脉冲时其增幅近35.8%。从图3可以看出储罐在4～17m范围内储罐罐壁有效应力最大，有效应力随着Vp的增大而增大，在Vp=125cm/s时达到最大值，相比无脉冲时其增幅近22.9%，与图2液体动液压力分布规律一致。

3.2 脉冲周期Tp对立式储罐地震响应的影响

从图4和图5中可以看出当脉冲周期Tp=1s时液体动液压力和罐壁有效应力明显大于其他脉冲周期和El-Centro波，其中动液压力最大增幅为18.8%，有效应力最大增幅为23.5%，这主要是由于15万方立式储罐自振周期为0.884s，结构自振周期与脉冲周期接近，引起共振现象。

3.3 脉冲类型对立式储罐地震响应的影响

从图6和图7可以看出，当Vp=75cm/s，Vp=2s时，3类脉冲波相对于El-Centro波的动液压力和有效应力均有明显放大，其中A类脉冲作用下的动液压力和有效应力均明显大于B类和C类，相对于底波动液压力和有效应力最大增幅分别为28.1%和16.6%。

4 结论

本文以15万方立式储罐为研究对象，建立有限元数值仿真模型，引入人工合成的近断层脉冲型地震动记录的方法，定量分析脉冲周期、脉冲峰值以及脉冲类型对立式储罐地震响应的影响特性和规律。

①脉冲作用会使储罐动力响应明显增大，因此长周期脉冲型近场地震作用对立式储罐的抗震性能回提出更高的要求。②随着脉冲峰值Vp的增大，储罐的地震响应逐渐增大；脉冲周期Tp接近储罐自振周期时，地震响应明显被放大。A类脉冲对于储罐影响最明显，B类脉冲影响次之，C类最小。③储罐近断层地震响应并不是由某一类脉冲参数决定的，建议进行近断层区储罐抗震设计时，应该对比检验不同类型脉冲参数的影响，确保储罐地震安全。

参 考 文 献

[1] 俞言祥.长周期地震动研究综述[J].国际地震动态，2004（7）.

[2] 王海云，谢礼立.近断层强地震动的特点[J].哈尔滨工业大学学报，2006，38（12）：2070-2072.

[3] 李爽，谢礼立.近场问题的研究现状与发展方向[J].地震学报，2007，29（1）：102-111.

[4] 孙颖，孙建刚，崔利富.浮顶储罐在地震荷载作用下数值模拟分析[J]科学技术与工程，2011（11）：4657-4659.

[5] 李想.立式储罐环梁滚动隔震装置设计与数值模拟[D].大庆：东北石油大学，2014.

[6] KRAWINKLER H， ALAVI B. Development of Improved Design Procedures Near-fault Ground Motions[C]// SMlP98 Seminar on Utilization of Strong-motion Data. Oakland： CA， 1998：21-41.