LNG儲罐外殼自振特性及地震響應分析

邵正飛 張文福 常 亮

在過去的幾十年中，世界液化天然氣消費量已增長了 5倍，而且據國際權威機構預測這一增長勢頭將繼續加強。因此用來儲存液化天然氣的儲罐(LNG儲罐)建造量不斷增多，并向著大型化發展，最大可達 20×104m3，直徑約 100m，如此巨大的圓柱形結構，越來越受到人們的重視，因為LNG儲罐造價本身很昂貴，一旦在地震中發生破壞，將不可能修復。另外，破壞時也會產生如液體泄漏、爆炸等次生災害[1]。從學術研究上來說，大型 LNG儲罐抗震性能也將是未來結構工程領域中最具研究價值的方向之一(見圖1)。

本文針對某大型LNG儲罐，建立混凝土外殼的有限元模型，通過對有限元模型分析，得到了LNG儲罐外殼的自振特性和地震響應，為此類LNG儲罐的抗震設計提供參考。

1 LNG儲罐外殼有限元模型的建立

由于罐壁厚度遠遠小于長度和內徑，故可以將其視為板殼問題，采用殼單元。本文采用ANSYS軟件對LNG儲罐外殼進行模擬，采用的單元是Shell63單元。Shell63為八節點六面體單元，用于三維實體結構分析。本文根據文獻[1]提供的數據，設定 LNG儲罐有限元模型參數，其基本參數如表 1所示。本文中未考慮內罐貯液的影響。儲罐的下部邊界條件可以取固接，即不考慮底板對有限元模型的影響。LNG儲罐有限元模型見圖2。

表1 混凝土LNG儲罐基本參數

2 LNG儲罐外殼模態分析

LNG儲罐外殼的頻率與模態。前 10階頻率及所對應的最大位移s和環向波數k見表 2，圖3給出前2階模態。

LNG儲罐外殼有限元模型除豎向振動外，每一個頻率值都對應兩種振型，兩種振型的環向波數k值和最大相對位移s相同，只是兩種振型關于XOZ和YOZ平面的對稱性不同，如圖3所示，一階振型為正對稱，二階振型為反對稱。即對于每一個ω可求得兩個特征向量，且兩個特征向量對應的最大相對位移值相等。在豎向產生半個波，由于罐壁頂部環梁的作用，環向最大相對位移處于罐壁中間位置，當出現豎向振動時，穹頂的相對位移較大。

3 LNG儲罐外殼地震響應分析

本工程的抗震設防烈度為 8度，設計基本地震加速度值為0.30g，設計地震分組為第一組，場地土類別為第Ⅱ類。根據上述工程情況和《建筑抗震設計規范》的規定，依據 2+1原則，選取了El-centro波和Taft波外加一條人工波，原始波形見圖4。

表2 LNG儲罐外殼前10階頻率及所對應的最大位移s和環向波數k

將上述三條地震波進行強度調整后，利用ANSYS特有的APDL[6]語言編寫程序，沿X方向讀入三條地震波進行LNG儲罐外殼瞬態響應分析。

圖5為儲罐在達到響應最大時刻的位移與等效應力云圖，較好的顯示了儲罐最大反應時刻的應力與位移分布情況，顏色的深淺對應于反應值的大小，由圖可知，罐壁節點位移隨高度增大，相同高度處周向位移相差較小。罐壁等效應力沿豎向高度增加而減小，且罐壁底部最大位移發生在與地震波夾角成 90°方向上。儲罐穹頂處沿地震波方向的位移較大，呈帶狀分布，等效應力沿穹頂徑向逐漸增大。三種地震波作用下罐壁及穹頂 X，Y兩個方向的最值見表 3。

表3 三種地震波作用下LNG儲罐外殼的極值

4 結語

1)利用ANSYS單元庫中的殼單元(Shell63)建立LNG儲罐的有限元模型，并獲得了LNG儲罐外殼有限元模型的前10階頻率及所對應的最大位移s、環向波數k和振型規律。

2)按《建筑結構抗震設計規范》要求，采用兩組天然地震波(Taft波、El-centro波)和一組人工波對LNG儲罐鋼—混凝土夾心外殼進行地震響應分析，得到罐壁與穹頂位移及內力分布規律，即位移與加速度沿罐壁高度方向依次增大，穹頂中心點位移最大、應力最小，罐壁底部單元應力最大。

[1] Design and construction aspects of post-tensioned LNG storage tanks in Europe and Australasia[Z].2007.

[2] R.克拉夫，J.彭津.結構動力學[M].第2版.北京:高等教育出版社，2000.

[3] GB 50011-2001，建筑抗震設計規范[S].

[4] GB 50009-2001，建筑結構荷載規范[S].

[5] ANSYS programmer'smanual[M].ANSYS Inc，1998.

[6] 博弈創作室.APDL參數化有限元分析技術及其應用實例[M].北京:中國水利水電出版社，2004.