水平地震激励下立式储罐与地基相互作用动力响应分析

论文摘要

立式储罐是石油储运中重要的工业设施。自从20世纪30年代以来国内外学者针对立式储罐这种特种结构进行了大量的研究，取得了一些有益于工程设计的研究成果，世界各国根据所研究的成果都相应建立了自己的设计规范。但是，由于该种结构向着薄壁，基底浮放，体积大型化发展，其动力响应也趋于复杂化，按规范设计的立式储罐，在大的地震灾害中已产生了破坏。这说明有些影响其动力响应的机理和因素尚待进一步研究。就目前国内外针对该种结构动响应研究的方法和途径来看，有四个方面：(1) 理论研究；(2)振动台试验研究；(3) 数值仿真研究；(4) 震害调查研究。本文以数值仿真技术研究为主，并结合地震振动台模型试验研究，以期通过研究建立数值仿真分析方法，深入了解影响立式储罐动力特性及动力响应的主要因素，为工程设计提供科学依据。主要工作如下： 1、在总结弹塑性理论和分析不同弹塑性本构模型优缺点基础上，确定了适合于储罐与地基体系的弹塑性本构关系。 2、确定了储罐与地基动力相互作用有限元法分析方法的解决方案。建立了考虑液固耦合及储罐与地基相互作用的有限元模型。 3、进行了1×10~3m~3储罐模型振动台试验并与数值分析结果进行了比较和验证分析，验证储液罐有限元模型的可靠性。 4、对工程上常用的8种储罐进行了模态分析，分别计算得到了这8种储罐的前三阶模态。同时，进行了参数影响分析，包括几何参数，材料参数等。 5、以2×10~3m~3和3×10~4m~3储罐为例分析了储罐在水平地震激励下的动力响应。包括储液晃动波高，罐壁的应力和应变，底板的提离以及基底弯矩和剪力。初步分析了浮放储液罐的“象足”变形产生原因及破坏机理。同时分析了锚固罐的地震响应，并与无锚罐的结果进行了比较分析。 6、对高罐，矮罐和中等高度三类储罐进行动响应分析来研究储罐参数对地震响应的影响。包括储液高度，罐的几何参数(包括罐壁和底板的厚度)，地基的刚度，不同的地震响应以及长周期的地震响应。

论文目录

• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 锚固储液罐的抗震研究
• 1.2.2 无锚固储液罐的抗震研究
• 1.3 本文的主要工作
• 第2章 储罐和地基材料弹塑性本构关系
• 2.1 引言
• 2.2 弹塑性理论基础
• 2.2.1 屈服条件
• 2.2.2 流动规则
• 2.2.3 硬化准则
• 2.3 弹塑性本构模型
• 2.3.1 弹塑性本构方程
• 2.3.2 弹塑性本构模型
• 2.4 储罐的弹塑性本构模型
• 2.5 土体的弹塑性本构模型
• 2.6 本章小结
• 第3章 储罐与地基相互作用地震响应分析中的相关理论
• 3.1 引言
• 3.2 有限元分析方法
• 3.2.1 有限元法分析步骤
• 3.2.2 瞬态动力方程及计算方法
• 3.2.3 非线性动力方程及计算方法
• 3.2.4 有限元分析中的误差及收敛性
• 3.2.5 ADINA有限元软件简介
• 3.3 储液罐及地基单元的确定
• 3.3.1 地基采用的单元
• 3.3.2 储罐壁及底板采用的单元
• 3.3.3 液体采用的单元
• 3.3.4 接触分析中采用的单元
• 3.4 储罐与地基相互作用的实现
• 3.4.1 基本原理
• 3.4.2 有限元离散化
• 3.5 流固耦合的实现
• 3.5.1 液体与结构互相作用的变分原理
• 3.5.2 有限元的离散化
• 3.6 单元网格大小的确定
• 3.7 收敛性分析
• 3.8 地震波输入的相关问题
• 3.8.1 地震波输入方法
• 3.8.2 地震波的选取
• 3.9 本章小结
• 第4章 储罐试验研究及与数值结果的对比分析
• 4.1 引言
• 4.2 储罐的振动台试验
• 4.2.1 试验的模型设计
• 4.2.2 模型结构体系
• 4.2.3 测点布置
• 4.2.4 试验工况
• 4.3 试验结果分析
• 4.3.1 加速度反应
• 4.3.2 位移反应
• 4.4 数值分析及与试验结果的对比
• 4.4.1 储罐有限元模型的确定
• 4.4.2 模型罐地震反应数值分析
• 4.4.3 结果对比分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 立式储罐流固耦合频域计算
• 5.1 引言
• 5.2 储罐固有振动特性的理论计算方法
• 5.2.1 液体晃动模态
• 5.2.2 液固耦合系统模态
• 5.3 储罐的流固耦合频域有限元计算方法
• 5.3.1 频域分析简介
• 5.3.2 流固耦合的动力学方程
• 5.3.4 有限元模型的建立
• 5.4 储罐模态分析
• 5.4.1 浮顶罐选取
• 5.4.2 有限元求解方法
• 5.4.3 液体晃动模态的计算
• 5.4.4 储罐系统的模态计算
• 5.5 储罐固有振动特性的参数分析
• 5.5.1 几何参数的影响
• 5.5.2 材料参数的影响
• 5.5.3 地基型式的影响
• 5.5.4 地基刚度的影响
• 5.5.5 液面高度的影响
• 5.5.6 空罐与满罐频率的对比
• 5.6 本章小结
• 第6章 储罐地震响应分析
• 6.1 引言
• 6.2 储罐系统有限元模型及相关参数的确定
• 6.2.1 储罐系统的选取
• 6.2.2 地震波的选取及输入
• 6.3 储罐与地基相互作用地震响应分析
• 6.3.1 液体响应结果分析
• 6.3.2 底板提离的结果分析
• 6.3.3 罐壁应力及应变结果分析
• 6.4 锚固罐的地震响应分析
• 6.4.1 锚固罐的有限元模型
• 6.4.2 地震响应分析
• 6.4.3 结果对比分析
• 6.5 本章小结
• 第7章 储罐地震响应参数分析
• 7.1 引言
• 7.2 储罐系统的参数及研究范围
• 7.2.1 储罐系统的选取
• 7.2.2 地震波的选取及输入
• 7.3 储罐地震响应的参数分析
• 7.3.1 地基刚度的影响
• 7.3.2 储液高度的影响
• 7.3.3 地震强度的影响
• 7.3.4 几何参数的影响
• 7.3.5 材料参数的影响
• 7.3.6 不同地震作用下地震响应分析
• 7.3.7 长周期地震响应分析
• 7.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致激
• 个人简历