大型LNG储罐隔震简化计算方法

2022-07-06杨淋亦李光辉中国成达工程有限公司成都610041

化工设计 2022年3期

杨淋亦李光辉中国成达工程有限公司成都 610041

由于全球清洁能源的需求，各国对LNG的消耗持续增加，LNG储罐的建设越来越大型化，但由于LNG具有易挥发、易燃、易爆等特性，一旦发生泄漏将产生极大的灾害，所以,对LNG储罐的设计有着极高的要求。

LNG储罐有多种形式，目前国内较为常用的有全容罐和薄膜罐。这两种罐体皆由混凝土外罐、金属内罐以及保温材料组成。基础多采用高承台桩基础,以防止低温LNG液体对土体的冻胀破坏。由于LNG储罐的重要性，在抗震上采用中震弹性、大震不屈的抗震设防目标。对于场地烈度较高时，在地震作用下，上部结构及下部基础都难以满足抗震设防要求。为使结构更加安全、经济、合理，需对结构采取隔震措施。文献介绍了LNG储罐隔震技术，提供了可行的隔震工程设计方法。文献[2-3]介绍了隔震支座在LNG储罐中的地震响应分析，证明采用隔震支座能够有效降低地震作用效应，采用隔震支座后能满足工程设计需求。文献研究了保温层对隔震效果的影响，认为设计时需考虑保温层对隔震的影响。文献介绍了LNG储罐的隔震时程分析方法。文献提供了一种LNG储罐基础基于反应谱设计的简化方法。目前国内对LNG储罐隔震设计已经有了较多研究，但分析时多采用非线性动力时程方法，分析繁琐，后处理复杂，不适用于工程设计。文献也仅仅提出了适用于基础的简化设计方法，而未给出罐体的分析。鉴于此，本文将介绍一种采用弹性反应谱法来分析带隔震支座LNG储罐地震作用效应的工程计算方法。

1 液体作用计算方法

LNG隔震计算有其特殊性，与一般建筑结构计算不同的是：需要考虑LNG储罐中的液体在地震作用时对罐壁所产生的效应。LNG储罐中液体与储罐之间作用为流固耦合作用，目前国内外学者已经进行了大量研究，提出了三种分析模型，分别为集中质量法、附加质量法、以及流固耦合分析法。

1.1 集中质量法

集中质量法是一种半解析半数值分析的方法，以液体在地震作用下的反应特性为基础，通过理论公式,先计算出冲击质量及晃动质量的大小和相应位置，再在有限元模型中采用等效质点质量来模拟其作用。该方法的优点是计算相对简单，对软件要求低，缺点是计算结果的准确性有所欠缺。

1.2 附加质量法

附加质量法也是一种半解析半数值分析的方法，与集中质量计算方法不一样的是：该方法通过理论公式计算出地震作用下冲击液体对罐壁的动压力，在有限元模型中将该动压力简化等效质量附加在罐壁中，以分析液体在地震作用下对罐壁的作用。该方法的优点是计算相对简单，对软件要求不高，缺点仍是计算精确度不高，但由于将质量分布在罐壁上，其结果比集中质量法计算精度要高。

1.3 液固耦合法计算方法

液固耦合法是一种完全数值分析方法，利用有限元中的流体单元或静流体单元直接进行动力分析，得到液体在地震作用下与罐壁的相互作用。该方法的优点是能得到储罐内液体的真实动力特性，计算结果精确；缺点是对计算软件的要求较高，要有能进行液固耦合分析的功能，计算相对较复杂。

1.4 冲击质量及晃动质量的计算方法

LNG液体在地震作用下对罐壁的主要作用分为液体冲击作用和液体晃动作用，对应于两种不同作用的液体质量分别为冲击质量和晃动质量，其质量分布见图1。

图1 LNG质量分布

在水平地震加速度下，一部分液体与罐壁一起运动，这部分液体质量称为冲击质量；另一部分液体不和罐壁一起运动，而是在罐内自由晃动，这部分液体质量称为晃动质量。冲击质量和晃动质量根据API650-2016计算如下。

(1)冲击质量Wi：

当D/H≥1.333时，

当D/H<1.333时，

(2)晃动质量WC：

式中，D为储罐直径；H为液体高度；Wp为液体总质量。

2 LNG储罐隔震弹性反应谱计算方法

本方法分为两个阶段进行分析计算。第一个阶段为整体简化分析，利用隔震支座力学特性以及隔震后储罐结构特点，采用简化单质点模型并利用理论公式对结构整体反应进行分析，从而得到各工况地震作用下隔震支座的位移，以及各工况下隔震支座的力学参数。第二阶段为有限元详细分析，将第一阶段得到隔震支座参数带入有限元软件对罐体进行详细分析，得到各工况地震效应的详细数据，用于截面设计。最后通过两阶段计算得到的结果相互对比，验证结果的准确性。

2.1 LNG储罐整体简化分析

LNG储罐采用隔震支座后，由于隔震支座水平刚度相对于桩身水平刚度要小得多，且不用考虑抗弯刚度的影响，故可将LNG储罐简化成为单质点体系进行动力计算，该质点只考虑一个水平方向的自由度。在计算质点的等效质量时，应分为满罐与空罐两种情况。空罐时，质点的等效质量即为罐体质量；满罐时，由于液体晃动质量在地震作用下产生水平力较小，分析中不予以考虑，此时质点等效质量为罐体质量和冲击质量之和。其中液体等效质量计算见1.4。

为求得罐体在水平地震作用下的效应，需知支座的水平刚度。由于隔震支座和水平作用力的关系为非线性，需根据其力学模型进行详细分析。隔震支座类型的不同，其计算模型也不同，在此，以铅芯支座为例进行分析。按照规范《建筑隔震橡胶支座》(G/T 118-2018)，得到水平作用计算模型，见图2。

其中，Qy、Ku、Kd、Dy为隔震支座固有参数。由上图可知，隔震支座的位移与水平力为两折线模型，此时可根据隔震支座固有参数以及假定结构在地震下的最大位移Dmax绘制出隔震支座滞回曲线(图2)。根据曲线可计算出支座等效刚度Kh以及等效阻尼比ξ如下式。

图2 隔震支座水平计算模型

Qmax=Kd·(Dmax-Dy)+Qy

ξ=W/(2πQmaxDmax)

式中，W为滞回曲线面积。

通过上式得到支座等效刚度Kh以及等效阻尼比ξ，利用结构动力学知识求得周期T，从而根据反应谱计算LNG储罐总水平地震力F。计算出F后可回代求出支座位移D1，当Dmax=D1时，即得到整体结构地震作用效应的结果；当Dmax≠D1时，可取Dmax1=(D1+Dmax)/2进行重新回代，通过几次回代便可得到正确结果。

通过上述计算以及后续处理，可得到LNG储罐整体位移、自振周期、隔震支座等效刚度、等效阻尼比、地震作用下总水平力和弯矩以及桩的竖向力。此阶段流程见图3。

图3 计算流程

2.2 LNG储罐有限元详细分析

第一阶段可得到总体的地震作用效应，但得不到罐体各点的内力和变形，需进行第二阶段对罐体本身进行详细分析。由于在第一阶段分析时，已经得到了对应于储罐整体位移时的隔震支座等效刚度，在建立有限元模型时，直接将等效刚度作为参数输入，用弹性反应谱法进行计算，得到罐体各点内力以及位移。经过处理，进一步得到罐体整体受力结果。此时将第一阶段结果与第二阶段结果相比较，验证简化模型的合理性。

3 计算实例

3.1 计算参数

3.1.1 罐体参数

LNG混凝土外罐的尺寸如下：罐壁内径为86.8m，罐壁高为46.1m，自承台顶向上7.2m处，罐壁厚由1.2m减至0.72m，7.2m以上壁厚0.72m，C50混凝土；穹顶内径为86.8m，厚度为0.5m，C45混凝土；承台直径为93.2m，厚度为1.2m～1.6m，C45混凝土，详见图4。LNG储罐由401个铅芯隔震支座支撑于桩顶。