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    高桩式LNG全容罐的地震作用计算.pdf

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    高桩式LNG全容罐的地震作用计算.pdf

    宋延杰等 高桩式LNG全容罐的地震作用计算 27 高桩式LNG全容罐的地震作用计算 宋延杰 李金光 郑建华 中国寰球工程公司 北京 100029 摘要本文以弹性嵌固模型模拟地面以下的桩土相互作用及以Housner理论建立的附加质量模型模拟内罐的 液固耦合作用为基础建立了高桩式LNG全容罐的地震作用计算模型。以实际工程为例,建立了三维有限元模型, 对LNG储罐在空罐和满罐这两种状态进行了OBE、SSE地震作用下的反应谱分析,然后根据荷载组合得到了桩顶 的最不利组合结果。 关键词高桩式LNG储罐附加质量法地震 全容式LNG储罐的基础形式有高桩式基础、 地面式基础、桩式地面基础和板式高承台基础等 多种形式。储罐采用何种形式的基础与场地的地 质条件、地质环境、地震及冷量消散方式等诸多 因素有关。目前国内外已建或在建的全容式LNG 储罐最常采用的基础形式是高桩式基础。 对全容式LNG储罐进行地震作用计算是LNG 储罐设计建造的一项重要内容,不仅有正常操作 基准地震OBE作用计算,还有安全停运地震 SSE作用计算。其中,操作基准地震是指设施 在其设计寿命期内可承受的可能发生的地震,安 全停运地震是在设施所在地罕见的强烈地震 J。 高桩式LNG全容罐不仅是固一液同时作用的结构 设施,且基础形式还较为复杂,需考虑桩一土间 的相互作用。在地震作用下,储罐设施中的内罐 和外罐各自的动力反应如何桩头的地震作用力 多大,能否满足承载力要求这些都是储罐工程 设计中需要考虑的地方。本文以某实际工程项目 的高桩式LNG全容罐为例,对其在地震作用下的 效应进行计算分析,为桩基方案的确定提供了 依据。 1 地震作用计算要点 1.1 内罐液体在地震作用下的效应计算 内罐液体在地震作用下的效应分为液体冲击 作用对罐体产生的动压力和液体晃动作用对罐体 产生的动压力。通常,液体的晃动周期比较长 一般为10s左右,在该周期处,加速度已非常 小,这样晃动作用产生的动压力就很小;另一方 面,液体晃动作用和冲击作用不会同时出现,根 据SRSS组合规则,晃动作用的影响将会更小,在 实际计算中可忽略不计。这样,在水平地震作用 计算中,仅计算冲击作用产生的动压力即可。 由Housner理论可知,当储罐受到来自罐底的 水平加速度a。t作用时,作用于罐壁上任一点 0,Z处的液体冲击动压力为 .4 J p , 一 t [1一 ]tanh辟cos8 1 式中,a t为水平加速度,m/s ;P为储液 罐中液体的密度,kg/m。;r为储液罐半径,m;h 为液位高,m;0为任意一点沿圆周方向的方位 角,rad;Z为该点距底板的高度,m;其坐标及参 数符号见图1。 图1储罐坐标及参数符号示意图 1.2计算模型 内罐的地震作用计算采用附加质量法计算模 型 。附加质量法是一种计算液固耦合问题的近 似方法,其基本思路是把液体对罐壁某点处的冲 击动压力等效为与该点一起运动的附加质量对该 点的惯性力,通过施加附加质量于内罐罐壁来模 }宋延杰工程师。2007年毕业于北京工业大学结构工程专业获硕士学位。现主要从事LNG储罐的设计计算工作。电话 010 58675614,Emailsongyanjiehqcec.eom。 28 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 拟液体的冲击作用,该计算模型使得计算解耦, 1.3计算步骤 从而减少了计算量。LNG全容罐的地震作用计算应分三步进行 根据式1的动压力计算公式,可推导出某 位置处的附加质量为 m 一 Ⅲ一音 tan c枷2 附加质量沿罐壁环向的分布形式见图2。 图2附加质量沿环向分布示意图 可见,0为0处的附加质量是最大值,并且附 加质量关于加速度方向以及与加速度方向垂直方 向的分布都对称。 外罐是实体混凝土结构,采用壳单元按实际 尺寸来模拟其质量和刚度分布。储罐地震作用是 一种动力作用,其结果跟质量和刚度相关,而保 冷层等辅助材料的质量很小,刚度更软,对整个 结构的动力反应影响很小,因此,在建立计算模 型时不需将这些材料建立几何单元到模型中,只 需将它们的质量附加到外罐模型中,考虑质量影 响而忽略其刚度的影响。 对于高桩式基础,其地面以上的桩用梁单元 来模拟;地面以下的桩,用弹性嵌固模型来模拟, 即在每根桩的地面位置处用水平弹簧单元来模拟 土体对桩的水平约束,用竖向弹簧单元来模拟土 体对桩的竖向约束,用转动弹簧单元来模拟土体 对桩的抗弯约束。 高桩式LNG全容罐的地震作用计算模型见 图3 Ky Ky Ky Ky Ky Ky Ky Ky 图3高桩式LNG全容罐的地震作用计算模型 1.3.1模态分析 该分析步进行模态计算,得到LNG储罐在空 罐和满罐两种工况下的振型和频率。 1.3.2反应谱分析 该分析步根据第一步计算得到的振型和频率, 再结合地震加速度反应谱进行反应谱分析,得到 LNG储罐的地震作用效应。用平方和平方根方法 SRSS来组合各个振型的结果作为输出结果。 1.3.3效应组合 根据参考文献6的4.3.3.5节要求,水平地震 与竖向地震同时作用时采用一方效应100%参与组 合,另一方效应30%参与组合的线性组合方式, 具体见表1。 表1效应组合规则 2计算实例 2.1基本参数 以某1.610 m 高桩式LNG全容罐为例,其 基本形状见图4。 图4高桩式LNG全容罐的基本几何尺寸 外罐内直径D82m,罐壁高度H38.55m, 壁厚t 0.8m,罐顶厚度中心t 0.4m,罐顶腋 部厚度t 0.8m,罐顶半径R82m,底板中心厚 度t 0.9m,底板边缘厚度t 1.2m;C50混凝 土密度p 2500kg/m ;内罐泄漏后的液位HL 33.3m,液体密度pL480kg/m ,蒸汽压力q 29kPa;OBE地震作用时,土体对地面以下桩的水 平约束K K1.6110。N/m,竖向约束K 1.2810 N/m,抗弯约束K K 4.6710 N 宋延杰等 高桩式LNG全容罐的地震作用计算 29 m/rad,SSE地震作用时,土体对地面以下桩的水 平约束K K9.4510 N/m,竖向约束K 1.2810 N/m,抗弯约束K K 3.2710 N m/rado 2.2荷载简化 内罐罐壁自重和弹性毯自重简化为集中荷载 施加到底板上;珍珠岩保冷层自重、内罐底板自 重和附于底板上的材料保温材料、混凝土自 重简化为面荷载施加到底板上;抗压环自重、钢 罐顶自重和吊顶及吊顶保温材料自重简化为集中 荷载施加到罐壁上。 2.3反应谱 反应谱参数取自现场地震评估报告,5%阻尼 比的反应谱计算公式 Sa A 卢 一A 。 卢 式中,A 是最大水平地面加速度,m/s ;BT 是地面加速度谱乘数;仅 是最大地震影响系数。 其中 口T ≤0.04s 0.04s ≤ T 等 s 水平地震加速度和相关反应谱参数见表2。 表2水平地震加速度和相关反应谱参数 根据参考文献2的定义,取50年10%的参数 作为OBE地震条件,50年2%的参数作为SSE地 震条件,这样可以得到以下两计算式。 1OBE一水平地震 S口n 2 S口a U.9, 。≤0.04s o.97[12.4-1 ]o.o4sr 12 0.972.4 0.12T0.4 0.972.4 ‘0.4 ≤8 SSE一水平地震 1.66 ≤O.04s 1.66[12.4-1 ] 12 1.662.4 0.12T0.5 1.662.4 0.5,≤85 OBE、SSE水平地震反应谱图形形式见5。 Period Tsec 图5 OBE、SSE水平地震反应谱 竖向地震反应谱取相应水平地震反应谱最大 值的65%[7 3。 3有限元分析 3.1有限元模型 高桩式LNG全容罐的地震计算模型采用三维 有限元模型,由于结构和边界条件的对称性,取 一半实体模型来进行网格划分,计算模型见图6。 其中,外罐部分的节点数为30982,单元数为 32709;内罐罐壁的节点数为2938,单元数为 2800;每层内罐加强圈的节点数为452,单元数为 336;桩的节点数为1800,单元数为1620。内罐液 体为空时,储罐模型总质量为2.37810’kg;内罐 液体盛满时,储罐模型总质量为4.26610 kg。 图6储罐三维有限元模型 3.2计算结果 3.2.1模态分析计算结果 1内罐液体为空时的周期和参振质量见 表3。 、, l 一 一 Q。- ,L ~ 宋延杰等 高桩式LNG全容罐的地震作用计算 3l 3满罐一OBE组合工况下最值统计见表7。 表7满罐一OBE组合值 t 4满罐一SSE组合工况下最值统计见表8。 表8满罐一SSE组合值 t 根据桩基试桩报告,OBE状态时,桩的水平 承载力为60t;SSE状态时,桩的水平承载力为 105t;桩的竖向承载力为1800t。从表5~表8可 知,桩的水平承载力和竖向承载力均能满足要求。 4结语 1由于高桩群的侧向刚度相对于储罐上部 结构较小,因此罐体结构的主振型表现为罐内液 体与混凝土外罐的同向位移,但参振质量主要是 内罐液体冲击质量,外罐只有少许质量参与该 振型。 2当高桩群的侧向刚度减小时,主振型的 周期变长、参振质量变大;当高桩群的侧向刚度 增大时,主振型的周期变短、参振质量变小。 3从模态分析结果可知,高桩式LNG储罐 主振型的参振质量占总质量的比重较大,起控制 作用,其它振型的参振质量较小,影响也较小。 4采用液体附加质量模型和桩基弹性嵌固 模型建立的高桩式LNG储罐地震作用计算模型, 既能有效模拟内罐液体的动力效应,又能合理地 考虑桩土间的相互作用,较好地反应高桩式LNG 储罐的整体动力特性。 5算例中桩顶的最不利荷载组合结果表明, 桩的水平承载力和竖向承载力均能够满足储罐的 地震作用效应,桩基的设计方案是可行的。 参考文献 1 GB/T 203682006,液化天然气LNG生产,储存和装 运[s]. 2 NFPA 59A一2006,Standard for the Production,Storage,and Handling of Liquefied Natural GasLNG[s]. 3 G.W.Housner,Dynamic Pressures on Accelerated Fluid Containers[J].Bul1.Seismi.Soc.Am,1957,471 1535. 4 Sudhir K Jain,O.R.Jaiswal,Modified proposed provisions for aseismic design of liquid storage tanksPart Icodal provi- sion,Journal of Structural Engineering,Vo1.32,No.3,Au gustSeptember 2005 PP.195206. 5郑建华,李金光,李艳辉.全容式LNG储罐的地震作用计 算模型研究[J].化工设计,2012,2221114. 6 EN199812004。Design of structures for earthctake resist ancePart 1General rules,seismic actions and rules for buildings. 7 GB 500112010,建筑抗震设计规范[s]. 收稿13期20120720 上接第8页 气与浓缩酸浓度60%相接触,利用废酸浓缩 的余热将浓缩酸加热至温度120C,酸量28.54t/ h,在增湿塔内进行酸的浓缩与硫酸干燥尾气的增 湿过程,使浓缩酸的浓度从60%提高到63%,每 吨钛白可节省蒸汽约108kg,同时既利于废酸浓缩 设备材质的选择,又利于为浓度98%硫酸配酸。 5 结语 100kt/a钛白一300kt/a硫酸联合生产可从原料 一产品一废弃物转为下一工序的原料_产品 的循环经济的发展模式,实现资源有效转化和利 用。同时,企业获得可观经济效益,钛白一硫酸 生产中热电得到有效利用;钛白废弃物废硫酸亚铁 转化为硫酸生产原料;钛白的浓缩酸进硫酸装置 提浓或转化为成品硫酸,每吨钛白可创综合经济 效益15002000元,故该法是一条新型钛白工业 发展之路。 参考文献 1 中小型热电联产工程设计手册[M].北京中国电力出版 社,2008. 2赵海鹏.加快节能减排步伐,实现资源综合利用[J].钛 白,200983335. 3杨卫国等.掺烧硫酸亚铁制硫酸经济效益讨论[J].钛 白,201064246. 4胡远飞,褚立峰.钛白粉生产废酸处理工艺分析二 [J].中国钛白,201146062. 收稿13期20100614

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