结构的地震反应是由地振动特性和结构本身特性两方面决定的,准确地掌握
储油罐的自振特性(频率和振型)是储油罐抗震设计的前提。储油罐系统是由罐体和储液两部分组成,两部分均参与振动,其振动属于典型的流-固耦合问题。流固耦合振动一方面可能导致系统的动力不稳定,另一方面会对容器产生显著的附加动压力,甚至造成结构破坏,是储油罐抗震研究非常重要的问题。同时,储油罐属于薄壁结构,振型和频率分布比较密集。设计时应避免储油罐的自然周期(或自然频率)接近地面运动的特征周期(或特征频率),以免产生共振。理论上抗震设计只需考虑梁式振动频率,但是由于制造误差,地面运动可能的相位差,以及各种非线性因素的影响,储油罐的地震反应除了主要振型——梁式振型外,还夹杂着周向壳体振型,为此,须对储油罐的自振特性有一个全面的认识。
有限元数值计算方法是求解流-固耦合系统自振特性的有效手段,项中权等人已经在该方面做了大量的研究。孙建刚等计算分析了储液高度、地基及罐壁弹性刚度对储油罐频率的影响,认为:空罐的频率高于满罐情况,且随着液位的升高,储油罐系统频率有所降低;材料弹性模量E增大,系统频率有所增大;地基刚度减少,系统频率减少;储油罐的弹性模量等材料参数对结构频率影响不大,地基刚度对系统动力特性的影响很大。
本章在前人研究的基础之上,利用有限元软件ANSYS分析储油罐系统的流固耦合自振特性和液体晃动特性,并与相关的计算结果进行比较,证明有限元分析的有效性。分析对比变壁厚和等壁厚情况下储油罐的频率和振型特点、不同高径比储油罐的自振特性规律及浮顶、加强圈对储油罐系统自振特性的影响等,系统研究空罐和满罐的振型(m,n)规律,特别是对于地震中储油罐主要的振型(n=1),最后在前面计算的基础上,拟合出方便适用的理论储油罐罐-液耦连振动自振周期(频率)公式,其计算结果相比抗震设计标准的结果更符合实际情况。