LNG储罐外壳自振特性及地震响应分析

邵正飞 张文福 常 亮

在过去的几十年中，世界液化天然气消费量已增长了 5倍，而且据国际权威机构预测这一增长势头将继续加强。因此用来储存液化天然气的储罐(LNG储罐)建造量不断增多，并向着大型化发展，最大可达 20×104m3，直径约 100m，如此巨大的圆柱形结构，越来越受到人们的重视，因为LNG储罐造价本身很昂贵，一旦在地震中发生破坏，将不可能修复。另外，破坏时也会产生如液体泄漏、爆炸等次生灾害[1]。从学术研究上来说，大型 LNG储罐抗震性能也将是未来结构工程领域中最具研究价值的方向之一(见图1)。

本文针对某大型LNG储罐，建立混凝土外壳的有限元模型，通过对有限元模型分析，得到了LNG储罐外壳的自振特性和地震响应，为此类LNG储罐的抗震设计提供参考。

1 LNG储罐外壳有限元模型的建立

由于罐壁厚度远远小于长度和内径，故可以将其视为板壳问题，采用壳单元。本文采用ANSYS软件对LNG储罐外壳进行模拟，采用的单元是Shell63单元。Shell63为八节点六面体单元，用于三维实体结构分析。本文根据文献[1]提供的数据，设定 LNG储罐有限元模型参数，其基本参数如表 1所示。本文中未考虑内罐贮液的影响。储罐的下部边界条件可以取固接，即不考虑底板对有限元模型的影响。LNG储罐有限元模型见图2。

表1 混凝土LNG储罐基本参数

2 LNG储罐外壳模态分析

LNG储罐外壳的频率与模态。前 10阶频率及所对应的最大位移s和环向波数k见表 2，图3给出前2阶模态。

LNG储罐外壳有限元模型除竖向振动外，每一个频率值都对应两种振型，两种振型的环向波数k值和最大相对位移s相同，只是两种振型关于XOZ和YOZ平面的对称性不同，如图3所示，一阶振型为正对称，二阶振型为反对称。即对于每一个ω可求得两个特征向量，且两个特征向量对应的最大相对位移值相等。在竖向产生半个波，由于罐壁顶部环梁的作用，环向最大相对位移处于罐壁中间位置，当出现竖向振动时，穹顶的相对位移较大。

3 LNG储罐外壳地震响应分析

本工程的抗震设防烈度为 8度，设计基本地震加速度值为0.30g，设计地震分组为第一组，场地土类别为第Ⅱ类。根据上述工程情况和《建筑抗震设计规范》的规定，依据 2+1原则，选取了El-centro波和Taft波外加一条人工波，原始波形见图4。

表2 LNG储罐外壳前10阶频率及所对应的最大位移s和环向波数k

将上述三条地震波进行强度调整后，利用ANSYS特有的APDL[6]语言编写程序，沿X方向读入三条地震波进行LNG储罐外壳瞬态响应分析。

图5为储罐在达到响应最大时刻的位移与等效应力云图，较好的显示了储罐最大反应时刻的应力与位移分布情况，颜色的深浅对应于反应值的大小，由图可知，罐壁节点位移随高度增大，相同高度处周向位移相差较小。罐壁等效应力沿竖向高度增加而减小，且罐壁底部最大位移发生在与地震波夹角成 90°方向上。储罐穹顶处沿地震波方向的位移较大，呈带状分布，等效应力沿穹顶径向逐渐增大。三种地震波作用下罐壁及穹顶 X，Y两个方向的最值见表 3。

表3 三种地震波作用下LNG储罐外壳的极值

4 结语

1)利用ANSYS单元库中的壳单元(Shell63)建立LNG储罐的有限元模型，并获得了LNG储罐外壳有限元模型的前10阶频率及所对应的最大位移s、环向波数k和振型规律。

2)按《建筑结构抗震设计规范》要求，采用两组天然地震波(Taft波、El-centro波)和一组人工波对LNG储罐钢—混凝土夹心外壳进行地震响应分析，得到罐壁与穹顶位移及内力分布规律，即位移与加速度沿罐壁高度方向依次增大，穹顶中心点位移最大、应力最小，罐壁底部单元应力最大。

[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.结构动力学[M].第2版.北京:高等教育出版社，2000.

[3] GB 50011-2001，建筑抗震设计规范[S].

[4] GB 50009-2001，建筑结构荷载规范[S].

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

[6] 博弈创作室.APDL参数化有限元分析技术及其应用实例[M].北京:中国水利水电出版社，2004.