基于ANSYS的双筏板LNG储罐隔振设计分析

王子龙，高 辉

（中国天辰工程有限公司，天津 300400）

在LNG储罐的隔振设计中，隔振系数的确定至关重要，目前行业常采用对带内罐、液体的有限元整体模型进行时程分析，对比隔振前后加速度以获取隔振系数的方法。储罐三维整体有限元模型单元较多，处理复杂，本文对快速准确计算隔振系数进行研究，并对类似工程提供参考。

本文采用ANSYS软件，对某20万 m3LNG储罐双筏板模型进行隔振设计分析，提出基于质点简化模型求解隔振系数的方法；此外，本文另建立此20万 m3LNG储罐的单筏板模型，以用来对比双筏板基础与单筏板基础的抗震性能差异。

1 工程简介

本文选取了某20万 m3大型LNG储罐为计算模型。该LNG储罐类型为混凝土全容罐，内罐由9%镍钢制成，外罐可分为钢筋混凝土底板、预应力钢筋混凝土外罐壁和钢筋混凝土穹顶三部分。内罐高43.81 m，外罐高47.00 m，外罐内表面直径84.2 m，内罐直径82.2 m。两筏板间设置短柱，短柱顶与上筏板之间设置铅芯橡胶隔振支座（LRB）。该LNG储罐剖面尺寸如图1所示。储罐共布桩387 根，外部三圈为环形布桩，内部为方形布桩。桩基布置图如图2所示。

图1 储罐剖面尺寸

图2 桩基布置图

2 有限元模型

本文基于ANSYS有限元软件建立双筏板桩基础LNG储罐三维模型（图3）。

图3 LNG储罐双筏板基础隔振/非隔振结构整体模型

其中，承台、穹顶、外罐及内罐采用SHELL181单元；桩基采用BEAM188单元；对流及脉冲液体以质点方式建立，采用MASS21单元；一个隔震支座由三个单元模拟[1-2]：竖向刚度的模拟采用Combine14单元，两个水平向刚度的模拟采用Combine40单元。

此外，根据规范ACI 350.3-06，建立OBE满/空罐、SSE满/空罐工况下的双筏板桩基础LNG储罐水平质点简化模型，如图4所示。质点简化模型包含外罐、对流液体、内罐+脉冲液体、基础底板。其中各质点等效高度及等效质量均根据ACI 350.3-06相关公式进行计算。

图4 水平质点简化模型

3 LNG储罐隔振设计流程

隔振设计流程如图5所示。

图5 LNG储罐隔设计流程

在以上计算过程中，隔振系数的求解常需要对有内罐、液体质点的三维模型进行时程分析，储罐三维模型单元较多，处理复杂，本文分别对双筏板三维模型、质点简化模型进行时程分析，对比隔振系数结果。结果表明：双筏板质点简化模型可以高效、精确模拟双筏板储罐隔震系数的计算，数据对比详见本文第5部分内容。

4 设计反应谱和地震波的选取

4.1 设计反应谱

项目所在地确定设防烈度为7度0.15 g。依据《建筑抗震设计规范（2016年版）》（GB 50011—2016）[3]、《石油化工钢制设备抗震设计标准》（GB/T 50761—2018）[4]及该项目的《地震安全性评价》报告，确定反应谱形式。LNG储罐在地震响应中各部分阻尼比不同[5]，如表1所示，计算不同阻尼比下地震反应谱曲线。

表1 各部分阻尼比 %

4.2 地震波选取

根据《建筑抗震设计规范（2016年版）》（GB 50011—2010）， 采用时程分析法时，应按照建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线，其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3。

本工程在OBE及SSE工况下分别选用三条地震波（两条实际波、一条人工波），各地震响应结果取用三条波结果的包络值作为最终数值。地震波与反应谱曲线拟合良好，对比如图6、图7所示。

图6 地震波与OBE反应谱对比

图7 地震波与SSE反应谱对比

5 三维模型与简化模型隔振系数计算

5.1 时程分析阻尼的设定

本文采用指定对数衰减率的方式，对结构设定全局阻尼比：

式中：δ为对数衰减率；ζ为结构全局等效阻尼比。

本文设定结构全局等效阻尼比为常用的0.05，时程分析求解各部分加速度后，根据BS EN 1998—1修正公式，对各部分加速度结果进行阻尼修正，以考虑储罐不同部分的阻尼差异性，修正公式如下：

式中：η为修正系数；ζi为结构各部分阻尼比。

5.2 双筏板三维模型与双筏板质点简化模型隔振系数对比

分别对双筏板LNG储罐三维模型及双筏板LNG储罐质点简化模型在OBE水平满/空罐、SSE水平满/空罐四种正常工况下进行时程分析，根据隔振前后加速度结果求解隔振系数。

每个工况下，各部分隔振系数取三条波所计算的隔振系数包络值作为最终数值，三维模型及质点简化模型隔振系数对比如表2—表5所示。

表2 OBE满罐各部分隔振系数

表3 SSE满罐各部分隔振系数

表4 OBE空罐各部分隔振系数

表5 SSE空罐各部分隔振系数

由表2—表5可知，四种正常工况下，质点简化模型与三维模型计算所得的隔振系数除个别质点外，误差均保证在15%以内，大部分保证在10%以内，从侧面证明质点简化模型求解隔振系数的方法具有一定的可行性。

6 双筏板与单筏板地震响应对比

为了对比双筏板隔振基础与单筏板隔振基础抗震性能，本文另建立此20万m3LNG储罐的单筏板质点简化模型，以用来对比双筏板基础与单筏板基础隔振性能差异。相关数据如表6—表13所示。

表6 OBE满罐双筏板加速度结果 m/s2

表7 OBE满罐单筏板加速度结果 m/s2

表8 SSE满罐双筏板加速度结果 m/s2

表9 SSE满罐单筏板加速度结果 m/s2

表10 OBE空罐双筏板加速度结果 m/s2

表11 OBE空罐单筏板加速度结果 m/s2

表12 SSE空罐双筏板加速度结果 m/s2

表13 SSE空罐单筏板加速度结果 m/s2

由上述表格可知：双筏板基础与单筏板基础相比，具有一定的抗震优势，但应注意在OBE满罐及SSE满罐工况下，双筏板基础对外罐及穹顶加速度的放大影响。

7 结论

1）基于ANSYS对某20万m3LNG储罐双筏板模型进行隔振设计分析，提出基于质点简化模型求解隔振系数的方法；此外，本文另建立此20万m3LNG储罐的单筏板模型，以用来对比双筏板基础与单筏板基础抗震性能差异。

2）对三维模型及质点简化模型隔振系数结果进行对比分析，结果表明质点简化模型求解隔振系数的方法具有一定的可行性，用质点简化模型求解隔振系数的方法模型简单，可操作性强，在工程报价以及详细设计中可满足精度要求且大大提升计算效率。

3）双筏板模型与单筏板模型隔振结果对比，表明双筏板基础比单筏板基础具有一定的抗震优势，但应注意在OBE满罐及SSE满罐工况下，双筏板基础会对外罐及穹顶加速度带来的放大影响。