一种LNG储罐隔震效应的确定方法

摘要

本发明提供一种LNG储罐隔震效应的确定方法，其包括以下步骤：确定LNG储罐的基本信息，计算内罐模型参数，计算外罐模型参数，计算基础参数，建立LNG储罐隔震力学模型，根据储罐所在地的地震反应谱选择地震波，对建立的分析模型进行特定地震波作用下的动力反应分析，从而确定LNG储罐隔震效应。本发明把隔震技术应用到LNG储罐这一固液共同作用的特殊工业结构上，具体地，把储罐的力学分析模型建立到成熟的具有隔震支座恢复力模型的商业软件上，即可方便地进行时程分析，求解出储罐结构的动力反应，从而很好地确定LNG储罐的隔震效应。

权利要求

1.一种LNG储罐隔震效应的确定方法，其特征在于步骤如下：(1)确定LNG储罐的基本信息：a)确定钢质内罐的基本参数，利用第一长度测量装置确定内罐的直径D(m)，并确定内3

罐半径R(m)，内罐罐壁等效厚度t(mm)，内罐材料弹性模量E(MPa)，液体的密度ρL(kg/m)和液体的设计液位H(m)这些参数；

b)确定混凝土外罐的基本参数，利用第二长度测量装置确定罐壁外表面直径D1(m)、罐壁内表面直径d(m)以及罐壁高度hw(m)，并确定罐壁质量mw(kg)，罐顶高度hr(m)，罐顶质量mr(kg)，底板厚度hb(m)，底板质量mb(kg)和混凝土弹性模量Ec(MPa)；

c)确定单桩的水平刚度kh(N/m)和桩身竖向刚度kV_P(N/m)；

d)确定底板的桩位布置图及桩根数nP；

e)确定隔震支座的力学参数，弹性刚度Ku(N/m)、屈服后刚度Kd(N/m)、屈服力Fy(N)和竖向刚度kV_B(N/m)；

f)确定储罐所在场地的地震影响系数曲线，该地震影响系数曲线即一反应谱；

(2)计算内罐模型参数

mL—为液体总质量(kg)；

mc—为内罐液体晃动对流部分质量(kg)；

hc—为晃动对流质量作用点等效高度；

Tc—液体的晃动对流周期(s)；

Kc—为晃动对流作用等效刚度(N/m)；

cc—为晃动对流液体的阻尼(N.s/m)，ξc为液体晃动阻尼比；

mi—为内罐液体冲击部分质量(kg)；

当D/H≥1.333

当D/H<1.333，hi—为冲击质量作用点等效高度(考虑了液体对底板的动压力)(m)；

Ti—液体的冲

击周期(s)；

Ki—为冲击作用等效刚度(N/m)；

ci—为冲击液体的阻尼(N.s/m)，ξi为液体冲击阻尼比；

(3)计算外罐模型参数

mt=mw+mr，mt—罐壁和罐顶的总质量(kg)；

ht—罐壁和罐顶的等效作用高度(m)；

4

I—罐壁惯性矩(m)；

Kt—为外罐的等效刚度(N/m)；

Ct—为外罐的阻尼(N.s/m)，ξt为混凝土的阻尼比；

(4)计算基础参数

2

IP—为桩群对底板中心的惯性矩(m)，xi—为桩心到底板中心的距离；

Krot=KV_PIp，Krot—为桩群的转动刚度(N.m/rad)；

Kbv=min(KV_B，KV_P)，Kbv—为基础竖向刚度和隔震支座的竖向刚度二者间的较小值；

cbv=0，cbv—为桩的竖向阻尼；

(5)建立LNG储罐隔震力学模型利用上面的模型参数以及基础参数建立力学分析模型，并根据所述力学分析模型在结构软件上建立分析模型；

(6)根据储罐所在地的地震反应谱选择地震波依据建筑抗震设计规范的规定，正确选择输入的地震加速度时程曲线，该时程曲线要满足地震动三要素的要求，即频谱特性、有效峰值和持续时间要符合规定；

(7)对建立的分析模型进行特定地震波作用下的动力反应分析，从而确定LNG储罐隔震效应。

说明书

一种LNG储罐隔震效应的确定方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种LNG储罐的性能分析方法，更具体地涉及一种LNG储罐隔震效应的确定方法。

背景技术

[0002] 我国是世界上地震灾害最严重的国家之一，比如近年来发生在我国的汶川地震和舟曲地震自然灾害，因此新建和既有建筑在地震发生时是否能够不倒塌是结构设计人员的重要任务，特别是LNG储罐，LNG储罐一旦遭到地震破坏，不但威胁到天然气的存储和影响人们的正常生产生活，而且引发的二次灾害对周围居民生活和环境的危害更是十分巨大。

[0003] 根据LNG行业设计规范NFPA 59A-2006或EN 14620-1:2006的要求，LNG储罐应进行在操作基准地震(OBE)和安全停车地震(SSE)作用下的承载力极限状态和正常使用极限状态验算，以确保储罐的安全。其中，OBE的定义为50年内超越概率为10%(重现期为475年)，阻尼比为5%的反应谱表示的地震；SSE的定义为50年内超越概率为2%(重现期为2475年)或1%(重现期为4975年)，阻尼比为5%的反应谱表示的地震。

[0004] 从上述地震计算的定义来看，OBE地震相当于中国规范的基本烈度地震，也即是多遇地震的3倍大小；SSE地震则相当于中国规范的罕遇地震。由此可见，储罐的地震作用设防标准要比普通建筑物的标准高很多，故地震作用力也是非常大的。因此，如何有效降低储罐在地震作用下的响应是LNG储罐设计中的一个重要环节。

[0005] 基底隔震技术被证明是降低地震作用的有效途径。隔震原理是通过结构底部加入隔震装置（如橡胶支座、摩擦摆支座）延长储罐自振周期，避开场地的特征周期，减小地震力向上部结构的传递，达到降低结构地震响应的目的。现阶段的隔震技术发展得较为成熟了，各国的建筑结构规范也都对常用结构形式的隔震设计提出了具体的要求，但对如何把隔震技术应用到LNG储罐这一固液共同作用的特殊工业结构上，则还是空白。

[0006] 目前，国内的LNG事业正处于高速发展的阶段，国内其他工程设计单位的设计建造技术还处于起步阶段，还没有独立完成设计建造LNG储罐的例子。

发明内容

[0007] 本发明目的在于提供一种LNG储罐隔震效应的确定方法，其中把隔震技术应用到LNG储罐这一固液共同作用的特殊工业结构上，具体地，把储罐的力学分析模型建立到成熟的具有隔震支座恢复力模型的商业软件上，即可方便地进行时程分析，求解出储罐结构的动力反应，从而很好地确定LNG储罐的隔震效应。

[0008] 本发明采用如下技术方案来实现，提供一种LNG储罐隔震效应的确定方法，其特征在于步骤如下：

[0009] (1)确定LNG储罐的基本信息：

[0010] a)确定钢质内罐的基本参数，利用第一长度测量装置确定内罐的直径D(m)，并确定内罐半径R(m)，内罐罐壁等效厚度t(mm)，内罐材料弹性模量E(MPa)，液体的密度3
ρL(kg/m)和液体的设计液位H(m)这些参数；

[0011] b)确定混凝土外罐的基本参数，利用第二长度测量装置确定罐壁外表面直径D1(m)、罐壁内表面直径d(m)以及罐壁高度hw(m)，并确定罐壁质量mw(kg)，罐顶高度hr(m)，罐顶质量mr(kg)，底板厚度hb(m)，底板质量mb(kg)和混凝土弹性模量Ec(MPa)；

[0012] c)确定单桩的水平刚度kh(N/m)和桩身竖向刚度kV_P(N/m)；

[0013] d)确定底板的桩位布置图及桩根数nP；

[0014] e)确定隔震支座的力学参数，弹性刚度Ku(N/m)、屈服后刚度Kd(N/m)、屈服力Fy(N)和竖向刚度kV_B(N/m)；

[0015] f)确定储罐所在场地的地震影响系数曲线，该地震影响系数曲线即一反应谱；

[0016] (2)计算内罐模型参数

[0017] mL-为液体总质量(kg)；

[0018] mc—为内罐液体晃动对流部分质量(kg)；

[0019] hc—为晃动对流质量作用点等效高度；

[0020] Tc—液体的晃动对流周期(s)；

[0021] Kc—为晃动对流作用等效刚度(N/m)；

[0022] cc—为晃动对流液体的阻尼(N.s/m)，ξc为液体晃动阻尼比；

[0023] mi—为内罐液体冲击部分质量(kg)；

[0024] 当D/H≥1.333

[0025] 当D/H＜1.333，hi—为冲击质量作用点等效高度(考虑了液体对底板的动压力)(m)；

[0026]Ti—液体的冲击周期(s)；

[0027] Ki—为冲击作用等效刚度(N/m)；

[0028] ci—为冲击液体的阻尼(N.s/m)，ξi为液体冲击阻尼比；

[0029] (3)计算外罐模型参数

[0030] mt＝mw+mr，mt—罐壁和罐顶的总质量(kg)；

[0031] ht—罐壁和罐顶的等效作用高度(m)；

[0032] I—罐壁惯性矩(m4)；

[0033] Kt—为外罐的等效刚度(N/m)；

[0034] Ct—为外罐的阻尼(N.s/m)，ξt为混凝土的阻尼比；

[0035] (4)计算基础参数

[0036] IP—为桩群对底板中心的惯性矩(m2)，xi—为桩心到底板中心的距离；

[0037] Krot＝KV_PIp，Krot—为桩群的转动刚度(N.m/rad)；

[0038] Kbv=min(KV_B，KV_P)，Kbv—为基础竖向刚度和隔震支座的竖向刚度二者间的较小值；

[0039] cbv=0，cbv—为桩的竖向阻尼；

[0040] (5)建立LNG储罐隔震力学模型

[0041] 利用上面的模型参数以及基础参数建立力学分析模型，并根据所述力学分析模型在结构软件上建立分析模型：

[0042] (6)根据储罐所在地的地震反应谱选择地震波

[0043] 依据建筑抗震设计规范的规定，正确选择输入的地震加速度时程曲线，该时程曲线要满足地震动三要素的要求，即频谱特性、有效峰值和持续时间要符合规定。

[0044] (7)对建立的分析模型进行特定地震波作用下的动力反应分析，从而确定LNG储罐隔震效应。

[0045] 附图的详细描述

[0046] 图1是LNG储罐的桩位布置图；

[0047] 图2示出了LNG储罐隔震力学模型；

[0048] 图3示出了隔震计算的有限元模型；

[0049] 图4示出了EI_CENTRO波，Sun_10波，以及一条人工波的波形；

[0050] 图5示出了图4中的三条波转化成反应谱后与场地反应谱的比较图；

[0051] 图6示出了EI_CENTRO波作用下支座的剪力-位移滞回曲线，Sun_10波作用下支座的剪力-位移滞回曲线，以及人工波1作用下支座的剪力-位移滞回曲线；

[0052] 图7是表达式被转换后形成的图表。

具体实施方式

[0053] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明而不是对本发明的限制。

[0054] 依据本发明的第一具体实施例，利用以下步骤实现LNG储罐隔震效应的确定：确定LNG储罐的基本信息，计算内罐模型参数，计算外罐模型参数，计算基础参数，建立LNG储罐隔震力学模型，根据储罐所在地的地震反应谱选择地震波，对建立的分析模型进行特定地震波作用下的动力反应分析，从而确定LNG储罐隔震效应。

[0055] 在确定LNG储罐的基本信息中，在进行计算前，需事先确定下列基本信息，作为计算的基本参数。确定钢质内罐的基本参数，内罐的直径D(m)，内罐半径R(m)，内罐罐壁等效3
厚度t(mm)，内罐材料弹性模量E(MPa)，液体的密度ρL(kg/m)和液体的设计液位H(m)。确定混凝土外罐的基本参数，罐壁外表面直径D1(m)，罐壁内表面直径d(m)，罐壁高度hw(m)，罐壁质量mw(kg)，罐顶高度hr(m)，罐顶质量mr(kg)，底板厚度hb(m)，底板质量mb(kg)和混凝土弹性模量Ec(MPa)。确定单桩的水平刚度kh(N/m)和桩身竖向刚度kV_P(N/m)。确定底板的桩位布置图及桩根数nP。确定隔震支座的力学参数，弹性刚度Ku(N/m)、屈服后刚度Kd(N/m)、屈服力Fy(N)和竖向刚度kV_B(N/m)。确定储罐所在场地的地震影响系数曲线(反应谱)。

[0056] 之后，计算内罐模型参数：

[0057] mL-为液体总质量(kg)；

[0058] mc—为内罐液体晃动对流部分质量(kg)；

[0059] hc—为晃动对流质量作用点等效高度(考虑了液体对底板的动压力)(m)；

[0060] Tc—液体的晃动对流周期(s)；

[0061] Kc—为晃动对流作用等效刚度(N/m)；

[0062] cc—为晃动对流液体的阻尼(N.s/m)，ξc为液体晃动阻尼比；

[0063] mi—为内罐液体冲击部分质量(kg)；

[0064] 当D/H≥1.333

[0065] 当D/H＜1.333，hi—为冲击质量作用点等效高度(考虑了液体对底板的动压力)(m)；

[0066]Ti—液体的冲击周期(s)；

[0067] Ki—为冲击作用等效刚度(N/m)；

[0068] ci—为冲击液体的阻尼(N.s/m)，ξi为液体冲击阻尼比；

[0069] 下一步骤是计算外罐模型参数，具体为：

[0070] mt＝mw+mr，mt—罐壁和罐顶的总质量(kg)；

[0071] ht—罐壁和罐顶的等效作用高度(m)；

[0072] I—罐壁惯性矩(m4)；

[0073] Kt—为外罐的等效刚度(N/m)；

[0074] Ct—为外罐的阻尼(N.s/m)，ξt为混凝土的阻尼比；接着的步骤是计算基础参数，具体为：

[0075] IP—为桩群对底板中心的惯性矩(m2)，xi—为桩心到底板中心的距离；

[0076] Krot＝KV_PIp，Krot—为桩群的转动刚度(N.m/rad)；

[0077] Kbv=min(KV_B，KV_P)，Kbv—为基础竖向刚度和隔震支座的竖向刚度二者间的较小值；

[0078] cbv=0，cbv—为桩的竖向阻尼；

[0079] 然后建立LNG储罐隔震力学模型，具体地利用上面的模型参数以及基础参数建立力学分析模型，并根据所述力学分析模型在结构软件上建立分析模型。

[0080] 根据储罐所在地的地震反应谱选择地震波，依据建筑抗震设计规范(GB50011-2001)的5.1.2条的规定，正确选择输入的地震加速度时程曲线，该时程曲线要满足地震动三要素的要求，即频谱特性、有效峰值和持续时间要符合规定。对建立的分析模型进行特定地震波作用下的动力反应分析，得到分析结果。

[0081] 本发明的第二实施例是依据第一实施例的LNG储罐隔震效应确定方法的一个计算实例。

[0082] 首先确定LNG储罐的基本信息：

[0083] 内罐的直径D=80m，内罐半径R=40m，内罐罐壁等效厚度t=20mm，内罐材料弹性模3
量E=200000MPa，液体的密度ρL=480kg/m 和液体的设计液位H=34.26m。

[0084] 接着确定混凝土外罐的基本参数，罐壁外表面直径D1=83.6m，罐壁内表面直径d=82m，罐壁高度hw=38.55m，罐壁质量mw=2.065E+07kg，罐顶高度hr=11.375m，罐顶质量mr=0.685E+07kg，底板厚度hb=0.9m，底板质量mb=1.415E+07kg和混凝土弹性模量Ec=3450MPa。

[0085] 之后确定单桩的水平刚度kh和桩身竖向刚度kV_P；kh＝29MN/m，kV_P=600MN/m；并确定底板的桩位布置图及桩根数nP；nP=360，桩位布置图如图1所示。

[0086] 接着确定隔震支座的力学参数，弹性刚度Ku(N/m)、屈服后刚度Kd(N/m)、屈服力Fy(N)和竖向刚度kV_B(N/m)；Ku=14MN/m，Kd=1.4MN/m，Fy=80kN，kV_B=1400MN/m。以及确定储罐所在场地的地震影响系数曲线(反应谱)。该场地的地震影响系数曲线(反应谱)如下式和图表所示：

[0087] Sa(T)＝Amax·β(T)

[0088]

[0089] 具体参数如下表

[0090]

[0091] 可以把上述表达式转化为图表形式，所述图表在图7中示出。

[0092] 随后计算内罐模型参数。

[0093]

[0094]

[0095]

[0096]

[0097]

[0098]

[0099]

[0100]

[0101]

[0102]

[0103]

[0104]

[0105] 然后计算外罐模型参数。

[0106] mt＝mw+mr=(2.065E+07)+(0.685E+07)=2.75E+07kg

[0107]

[0108]

[0109]

[0110]

[0111] 接着计算基础参数。

[0112]

[0113] Krot＝KV_PIp=600MN/mx183473=1.1E+14N.m/rad

[0114] Kbv=min(KV_B，KV_P)=min(1400MN/m，600MN/m)=600MN/m

[0115] cbv=0

[0116] 在上述各步骤的基础上建立LNG储罐隔震力学模型，并且在图2中示出了LNG储罐隔震力学模型。本次计算采用商业软件SAP2000来进行，其中的计算模型如图3所示。

[0117] 其中，节点2，3和4的质量分别为mt，mi和mc，节点1的质量为mb；节点5和6为构造点，水平位置在节点1的左右侧，竖向高度和节点1一样，用定义节点束缚的方式把节点5，6和1约束在一起；节点7也为构造点，位置在节点1的正下方，与节点1的距离为支座顶面和底板中心线的距离。在节点7处“绘制1节点连接”单元8，单元8的“连接/支座类型”为橡胶支座(rubber isolator)；单元3，4和5为弹簧单元，用来模拟kt,ki和kc。

[0118] 并根据储罐所在地的地震反应谱选择地震波。根据筛选结果，最后选择的地震波为2条实际发生的地震波：EI_CENTRO和Sun_10波，另外再加一条人工波，具体图形如图4所示。并且这三条波转化成反应谱后与场地反应谱的比较如图5所示。

[0119] 把人工波1、EI_CENTRO波和Sun_10波输入建立的分析模型，进行特定地震波作用下的动力反应分析，得到分析结果。其中在图6中示出上述三条地震波作用下支座的剪力-位移滞回曲线。

[0120] 把上面三条地震波作用的计算结果汇总如下表：

[0121]

[0122] 非隔震情况下，支座的计算结果如下表所示：

[0123]

[0124] 设置隔震支座的计算结果与非隔震的计算结果比较如下表所示：

[0125]

[0126] 由上表可知，在设置隔震支座后，桩顶的剪力和弯矩大幅度减小（约80%左右），桩顶的受力得到了很大的改善，储罐的抗震性能得到了很大的提高。

[0127] 另外，本发明的LNG储罐隔震效应的确定方法在唐山LNG项目中得到了成功的实施和应用。

[0128] 尽管参照优选实施例已经描述了本发明，本领域熟练技术人员将认识到，可以进行形式和细节上的改变，只要不脱离本发明的精神和范围。本发明试图不局限于被公开的具体实施例，如预期用于实施本发明的最佳模式，相反，本发明将包括落入附加权利要求的范围的全部实施例。