王子龍，高 輝

（中國天辰工程有限公司，天津 300400）

在LNG儲罐的隔振設(shè)計中，隔振系數(shù)的確定至關(guān)重要，目前行業(yè)常采用對帶內(nèi)罐、液體的有限元整體模型進(jìn)行時程分析，對比隔振前后加速度以獲取隔振系數(shù)的方法。儲罐三維整體有限元模型單元較多，處理復(fù)雜，本文對快速準(zhǔn)確計算隔振系數(shù)進(jìn)行研究，并對類似工程提供參考。

本文采用ANSYS軟件，對某20萬 m3LNG儲罐雙筏板模型進(jìn)行隔振設(shè)計分析，提出基于質(zhì)點(diǎn)簡化模型求解隔振系數(shù)的方法；此外，本文另建立此20萬 m3LNG儲罐的單筏板模型，以用來對比雙筏板基礎(chǔ)與單筏板基礎(chǔ)的抗震性能差異。

1 工程簡介

本文選取了某20萬 m3大型LNG儲罐為計算模型。該LNG儲罐類型為混凝土全容罐，內(nèi)罐由9%鎳鋼制成，外罐可分為鋼筋混凝土底板、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土外罐壁和鋼筋混凝土穹頂三部分。內(nèi)罐高43.81 m，外罐高47.00 m，外罐內(nèi)表面直徑84.2 m，內(nèi)罐直徑82.2 m。兩筏板間設(shè)置短柱，短柱頂與上筏板之間設(shè)置鉛芯橡膠隔振支座（LRB）。該LNG儲罐剖面尺寸如圖1所示。儲罐共布樁387 根，外部三圈為環(huán)形布樁，內(nèi)部為方形布樁。樁基布置圖如圖2所示。

圖1 儲罐剖面尺寸

圖2 樁基布置圖

2 有限元模型

本文基于ANSYS有限元軟件建立雙筏板樁基礎(chǔ)LNG儲罐三維模型（圖3）。

圖3 LNG儲罐雙筏板基礎(chǔ)隔振/非隔振結(jié)構(gòu)整體模型

其中，承臺、穹頂、外罐及內(nèi)罐采用SHELL181單元；樁基采用BEAM188單元；對流及脈沖液體以質(zhì)點(diǎn)方式建立，采用MASS21單元；一個隔震支座由三個單元模擬[1-2]：豎向剛度的模擬采用Combine14單元，兩個水平向剛度的模擬采用Combine40單元。

此外，根據(jù)規(guī)范ACI 350.3-06，建立OBE滿/空罐、SSE滿/空罐工況下的雙筏板樁基礎(chǔ)LNG儲罐水平質(zhì)點(diǎn)簡化模型，如圖4所示。質(zhì)點(diǎn)簡化模型包含外罐、對流液體、內(nèi)罐+脈沖液體、基礎(chǔ)底板。其中各質(zhì)點(diǎn)等效高度及等效質(zhì)量均根據(jù)ACI 350.3-06相關(guān)公式進(jìn)行計算。

圖4 水平質(zhì)點(diǎn)簡化模型

3 LNG儲罐隔振設(shè)計流程

隔振設(shè)計流程如圖5所示。

圖5 LNG儲罐隔設(shè)計流程

在以上計算過程中，隔振系數(shù)的求解常需要對有內(nèi)罐、液體質(zhì)點(diǎn)的三維模型進(jìn)行時程分析，儲罐三維模型單元較多，處理復(fù)雜，本文分別對雙筏板三維模型、質(zhì)點(diǎn)簡化模型進(jìn)行時程分析，對比隔振系數(shù)結(jié)果。結(jié)果表明：雙筏板質(zhì)點(diǎn)簡化模型可以高效、精確模擬雙筏板儲罐隔震系數(shù)的計算，數(shù)據(jù)對比詳見本文第5部分內(nèi)容。

4 設(shè)計反應(yīng)譜和地震波的選取

4.1 設(shè)計反應(yīng)譜

項目所在地確定設(shè)防烈度為7度0.15 g。依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（2016年版）》（GB 50011—2016）[3]、《石油化工鋼制設(shè)備抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50761—2018）[4]及該項目的《地震安全性評價》報告，確定反應(yīng)譜形式。LNG儲罐在地震響應(yīng)中各部分阻尼比不同[5]，如表1所示，計算不同阻尼比下地震反應(yīng)譜曲線。

表1 各部分阻尼比 %

4.2 地震波選取

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（2016年版）》（GB 50011—2010）， 采用時程分析法時，應(yīng)按照建筑場地類別和設(shè)計地震分組選用實際強(qiáng)震記錄和人工模擬的加速度時程曲線，其中實際強(qiáng)震記錄的數(shù)量不應(yīng)少于總數(shù)的2/3。

本工程在OBE及SSE工況下分別選用三條地震波（兩條實際波、一條人工波），各地震響應(yīng)結(jié)果取用三條波結(jié)果的包絡(luò)值作為最終數(shù)值。地震波與反應(yīng)譜曲線擬合良好，對比如圖6、圖7所示。

圖6 地震波與OBE反應(yīng)譜對比

圖7 地震波與SSE反應(yīng)譜對比

5 三維模型與簡化模型隔振系數(shù)計算

5.1 時程分析阻尼的設(shè)定

本文采用指定對數(shù)衰減率的方式，對結(jié)構(gòu)設(shè)定全局阻尼比：

式中：δ為對數(shù)衰減率；ζ為結(jié)構(gòu)全局等效阻尼比。

本文設(shè)定結(jié)構(gòu)全局等效阻尼比為常用的0.05，時程分析求解各部分加速度后，根據(jù)BS EN 1998—1修正公式，對各部分加速度結(jié)果進(jìn)行阻尼修正，以考慮儲罐不同部分的阻尼差異性，修正公式如下：

式中：η為修正系數(shù)；ζi為結(jié)構(gòu)各部分阻尼比。

5.2 雙筏板三維模型與雙筏板質(zhì)點(diǎn)簡化模型隔振系數(shù)對比

分別對雙筏板LNG儲罐三維模型及雙筏板LNG儲罐質(zhì)點(diǎn)簡化模型在OBE水平滿/空罐、SSE水平滿/空罐四種正常工況下進(jìn)行時程分析，根據(jù)隔振前后加速度結(jié)果求解隔振系數(shù)。

每個工況下，各部分隔振系數(shù)取三條波所計算的隔振系數(shù)包絡(luò)值作為最終數(shù)值，三維模型及質(zhì)點(diǎn)簡化模型隔振系數(shù)對比如表2—表5所示。

表2 OBE滿罐各部分隔振系數(shù)

表3 SSE滿罐各部分隔振系數(shù)

表4 OBE空罐各部分隔振系數(shù)

表5 SSE空罐各部分隔振系數(shù)

由表2—表5可知，四種正常工況下，質(zhì)點(diǎn)簡化模型與三維模型計算所得的隔振系數(shù)除個別質(zhì)點(diǎn)外，誤差均保證在15%以內(nèi)，大部分保證在10%以內(nèi)，從側(cè)面證明質(zhì)點(diǎn)簡化模型求解隔振系數(shù)的方法具有一定的可行性。

6 雙筏板與單筏板地震響應(yīng)對比

為了對比雙筏板隔振基礎(chǔ)與單筏板隔振基礎(chǔ)抗震性能，本文另建立此20萬m3LNG儲罐的單筏板質(zhì)點(diǎn)簡化模型，以用來對比雙筏板基礎(chǔ)與單筏板基礎(chǔ)隔振性能差異。相關(guān)數(shù)據(jù)如表6—表13所示。

表6 OBE滿罐雙筏板加速度結(jié)果 m/s2

表7 OBE滿罐單筏板加速度結(jié)果 m/s2

表8 SSE滿罐雙筏板加速度結(jié)果 m/s2

表9 SSE滿罐單筏板加速度結(jié)果 m/s2

表10 OBE空罐雙筏板加速度結(jié)果 m/s2

表11 OBE空罐單筏板加速度結(jié)果 m/s2

表12 SSE空罐雙筏板加速度結(jié)果 m/s2

表13 SSE空罐單筏板加速度結(jié)果 m/s2

由上述表格可知：雙筏板基礎(chǔ)與單筏板基礎(chǔ)相比，具有一定的抗震優(yōu)勢，但應(yīng)注意在OBE滿罐及SSE滿罐工況下，雙筏板基礎(chǔ)對外罐及穹頂加速度的放大影響。

7 結(jié)論

1）基于ANSYS對某20萬m3LNG儲罐雙筏板模型進(jìn)行隔振設(shè)計分析，提出基于質(zhì)點(diǎn)簡化模型求解隔振系數(shù)的方法；此外，本文另建立此20萬m3LNG儲罐的單筏板模型，以用來對比雙筏板基礎(chǔ)與單筏板基礎(chǔ)抗震性能差異。

2）對三維模型及質(zhì)點(diǎn)簡化模型隔振系數(shù)結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明質(zhì)點(diǎn)簡化模型求解隔振系數(shù)的方法具有一定的可行性，用質(zhì)點(diǎn)簡化模型求解隔振系數(shù)的方法模型簡單，可操作性強(qiáng)，在工程報價以及詳細(xì)設(shè)計中可滿足精度要求且大大提升計算效率。

3）雙筏板模型與單筏板模型隔振結(jié)果對比，表明雙筏板基礎(chǔ)比單筏板基礎(chǔ)具有一定的抗震優(yōu)勢，但應(yīng)注意在OBE滿罐及SSE滿罐工況下，雙筏板基礎(chǔ)會對外罐及穹頂加速度帶來的放大影響。