非锚固罐的抗震研究(一)

       锚固罐在实际工程中的应用并不多，出于经济原因绝大多数储油罐都是无锚固的，即自由搁置于基础之上，所以近期储油罐的抗震研究以无锚固罐为主要研究对象。无锚固罐在倾覆力矩的作用下有明显的提离，震害调查已发现，许多罐的破坏和提离密切相关。罐底提离将导致如下现象：液-壳-土相互作用强非线性问题的出现；罐壁最大轴向薄膜压力明显增大，罐可能在低倾覆力矩下失稳，对应的模态振型和液动压力发生变化；晃动对液体动压力的贡献增大。因此，非锚固罐的抗震研究主要是以提离机理和提离导致的失稳、强度破坏为重点，包括实验研究、理论模型简化和数值模拟分析三方面。
     （1）实验测试研究无锚固储液罐的地震反应问题比较复杂，在研究初期大多数都是采用实验的手段在模型罐上完成。非锚固储液罐的首次实验研究是Clough等人于1977年在美国加州大学伯克利分校地震工程研究中心（EERC）的振动台上完成的。随后，Manos和Clough分别对无锚固的高罐和矮罐进行了考虑地基影响的静、动提离实验研究，实验得到以下结论：罐的地震反应主要由提离机理控制，由于输入的地面运动的频率和强度的变化，使得提离机理是非线性的；对于不同性质的地基，罐底板的提离、平面外的扭转和膜应力的大小及分布区域都有较大的不同。在1979年，Clough又得出一个模型罐实验研究结果：由于罐壁的柔性，脉冲动水压力值超过了在刚性罐壁测得的值，同时由于提离的发生改变了罐的受力性能；按相同振幅的记录输入，无锚固罐的壳体位移和应力情况要比锚固罐的大。
1982年，Cambra做了无锚固矮罐的地震放大性能实验研究，包括轴向提离静力测试和动力振动。他以此实验结果推断，储油罐的地震反应受罐壁柔性变化的影响，并且在罐壳的偏心处有一个高强度的连接，通过不完善的壳体变形来反映。
       我国无锚固储液罐的试验研究始于80年代后期，1989年温得超博士进行了动提离试验，对不同高径比的铜罐和铝罐在不同储液深度和地基形式下，分别采用水平和竖向激励进行试验，试验表明：提离后储油罐频率降低，柔性基础上，提离值最大。1989年陈厚群按照几何相似模拟了我国5000m³浮顶储油罐，对地基模拟了混凝土环墙内填沙的地基情况，试验表明：按照Housner公式计算基本运动周期符合实际，自由搁置的外浮顶储油罐动态放大效应可高达5-8倍，提离现象突出。经过上述实验，项忠权等结合震害分析给出了一个提离分析简化模型。近年来，哈尔滨工程大学的孙建刚为验证数值模拟的可靠性，对1000m³浮顶模型储油罐进行了实验研究，浙江大学的陈志平等对国内一座处于充水试验期间的15×104m³浮顶储油罐进行了罐壁与底板的实验应力测试。
        对比国内外的提离试验研究，可得到如下比较一致的结论：①无锚固储油罐的主要动态特征就是提离、振动和变形是多重性的；②无锚固罐提离的动力响应远大于锚固罐的情况；③罐的提离导致罐体应变、应力在局部区域出现高度集中，这是屈曲形成的主要因素；提离底板中有径向弯曲应力、环向弯曲应力和膜应力存在；底板提离区域为月牙形，变形为大变形；提离晃动频率接近于罐内液面的晃动基频，它可用Housner公式计算；浮顶与自由液面情况相比，可以降低提离响应。④柔性与刚性基础相比，能够增加提离高度，降低罐壁底部竖向应力集中程度；⑤“象足”屈曲和“菱形”效应是由于环向应力和竖向应力共同作用的结果，临界屈曲应力高于规范中建议的应力值，也高于其它提离简化模型的计算值；罐壁环向呈现多波现象，目前广泛采用的以梁式振动为主的模型，与浮顶罐的实际情况相差很大。

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