杨惠晴，孙建刚，崔利富

(1.东北石油大学土木建筑工程学院，黑龙江大庆163318;

2.大连民族学院土木建筑工程学院，辽宁大连116605;

3.大连海事大学道路与桥梁工程研究所，辽宁大连 116026)

环梁滑移与钢筋并联隔震装置设计研究

杨惠晴1，孙建刚2，崔利富3

(1.东北石油大学土木建筑工程学院，黑龙江大庆163318;

2.大连民族学院土木建筑工程学院，辽宁大连116605;

3.大连海事大学道路与桥梁工程研究所，辽宁大连 116026)

为了降低储罐的地震响应，提出了环梁滑移与钢筋并联隔震装置，通过ADINA程序建立了适用于1 000 m3储罐地震振动台实验缩尺1∶4的环梁滑移与钢筋并联隔震装置的有限元模型，研究其在不同摩擦系数、储液高度、烈度、位移等参数影响下隔震装置的刚度，并与理论解进行了对比。结果表明，隔震装置设计时需要综合考虑选取最佳设计参数，满足储罐隔震装置水平刚度的要求，以期达到降低储罐地震响应的目的。

储罐;基础隔震;ADINA;有限元分析

为了降低储罐的地震响应，国内外研究者［1－8］引入基础隔震控制思想对其进行了理论与实验研究，取得了有益的成果，但并没有付诸工程实践。同时，隔震装置多用于建筑工程领域，没有适用于储罐基础隔震的隔震装置。为此设计一种新型的环梁滑移与钢筋并联隔震装置，并对其影响参数进行数值仿真分析，以便于更加有效地降低储罐地震响应。

1 环梁滑移与钢筋并联隔震装置的基本构成

环梁滑移与钢筋并联隔震装置由环梁滑移隔震结构与钢筋－沥青砂复合隔震层并联组成，如图1。

图1 环梁滑移与钢筋并联隔震装置

2 振动台试验隔震装置力学特性数值仿真分析

2.1 建立有限元模型

选用1 000 m3储罐为模型原型，其基本参数为:储罐直径 Dp=11.6 m，罐高 Lp=10.6 m，罐壁材料的弹性模量 Ep=2.06×1011N·m－2，泊松比γp=0.3，钢材密度 ρsp=7.8 t·m－3，液体密度 ρsp=1.0 t·m－3，罐壁厚取 hsp=0.006 m。

设计模型尺寸相似比为1∶4，模型的Dm=2.9 m，Lm=2.65 m，Em=2.06 ×1011N·m－2，γm=0.3，ρsm=7.8 t·m－3，ρsm=1.0 t·m－3，hsm=0.001 5 m。

初步设计原型罐的隔震周期为2 s，阻尼比为0.1，则根据相似比模型罐的隔震周期为 0.5 s，阻尼比为0.1。上部结构质量为15.7 t，钢筋基础水平总刚度为2 473.5 kN·m。

钢筋－沥青砂隔震层选用钢筋HRB400级，其弹性模量E=2.0×1011N·m，强度设计值为3.6 ×108N·m－2，钢筋直径采用 d=8 mm，隔震层高度为200 mm。隔震层所需最小钢筋数量为16根(满足稳定性要求)，为了满足隔震层水平刚度要求，选取40根。这样，隔震层水平刚度为

钢筋贯穿隔震层，分别锚固于上垫板与下垫板中，锚固长度为0.015 m。环梁与垫板尺寸见表1。

表1 环梁与垫板尺寸

上环梁、下环梁、上垫板、下垫板均为钢筋混凝土材料。选用Elastic Isotropic材料，其物理力学性质见表2。

表2 钢筋混凝土物理力学性质表

钢筋－沥青砂复合隔震层由沥青砂及钢筋两部分组成。由于沥青砂为散粒体，建模时忽略其材料属性。钢筋选用Plastic Bilinear材料，其物理力学性质见表3。

表3 钢筋物理力学性质表

环梁、垫板在模型中采用8节点实体单元;钢筋－沥青砂复合隔震层中的竖向钢筋选用Rebar单元;上环梁与下环梁，上垫板与下垫板接触面之间均采用9节点接触单元来模拟。摩擦系数为 0.05。

将上部储罐荷载以均布荷载的形式均匀施加在上环梁以及上垫板的上表面上，q=4.6 kN·m－2。下环梁与下垫板均刚接于地面。环梁滑移与钢筋并联隔震装置有限元模型如图2。

图2 环梁滑移与钢筋并联隔震装置有限元模型

2.2 参数影响分析

2.2.1 摩擦系数变化对隔震装置刚度的影响

通过力与位移的关系曲线，给出不同摩擦系数时的隔震刚度，见表4。

表4 不同摩擦系数下隔震装置刚度 kN·m－1

从表4可知，随着摩擦系数的增大，隔震层刚度有所增大。这说明环梁滑移与钢筋并联隔震装置的隔震层刚度与滑移隔震结构摩擦系数有关。选用不同特氟龙涂层材料，会影响滑移隔震结构的摩擦系数。当摩擦系数μ=0.05时，隔震装置刚度较小，但是滑移较大。随着摩擦系数不断增大，隔震装置的位移不断减小，刚度增加。这样就可以通过调整摩擦系数来进一步调整隔震层刚度，从而满足储罐隔震效应预期的需要。

2.2.2 储液高度变化对隔震装置刚度的影响

通过力与位移的关系曲线，给出不同储液高度时的隔震刚度，见表5。

表5 不同储液高度下隔震装置刚度 kN·m－1

从表5可知，随着储液高度的增大，隔震层刚度有所增大，这说明对隔震层刚度进行设计时，要考虑上部结构荷载作用于隔震层的影响。

2.2.3 烈度变化对隔震装置刚度的影响

通过力与位移的关系曲线，给出不同烈度时的隔震刚度，见表6。

表6 不同烈度下隔震装置刚度 kN·m－1

从表6可知，地震烈度逐渐增大，环梁滑移与钢筋并联隔震装置刚度基本相同，处于线弹性阶段，说明这种隔震装置能够做到“小震、中震、大震”都处于弹性工作阶段。

2.2.4 位移变化对隔震装置刚度的影响

环梁滑移与钢筋并联隔震装置模型中，预留隔震装置安全位移宽度为0.025 m，如果上环梁滑移位移超过0.025 m，则隔震装置失稳。钢筋失稳临界应力为

为了研究环梁滑移与钢筋并联隔震装置的位移限值范围内的力学性能，采用摩擦系数μ=0.10的隔震装置模型，研究位移分别为 0.005，0.010，0.015，0.020，0.025 m 时隔震装置的力学性能。不同位移下，隔震层的有效应力峰值见表7。

表7 不同位移下隔震层有效应力峰值 MPa

从表7可知，不同位移下钢筋有效应力峰值随位移的增大而增大。同时，最大值均未超过钢筋失稳临界应力σmax=197.2 MPa，可看出仍然处于弹性工作阶段。

2.2.5 理论解与有限元解对比

钢筋－沥青砂隔震层水平刚度理论解为2 411.5 kN·m－1，环梁滑移隔震结构为隔震装置不提供水平刚度，但实际在进行数值仿真分析过程中，水平刚度有限元解与理论解存在一定的误差，见表8、表9和表10。

表8 不同摩擦系数下隔震装置刚度理论解与有限元解对比

表9 不同储液高度下隔震装置刚度理论解与有限元解对比

表10 不同烈度下隔震装置刚度理论解与有限元解对比

由表8—表10可知，不同参数影响下，有限元解与理论解存在一定误差，这说明群钢效应、环梁滑移隔震结构的摩擦系数和上部结构质量对隔震装置的水平刚度都有影响，隔震装置设计时需要综合考虑选取最佳设计参数，以满足隔震装置水平刚度的要求。

3 结论

通过对所建立的环梁滑移与钢筋并联隔震装置的有限元模型进行参数影响分析得出:

(1)隔震装置的刚度随着摩擦系数的增大而增大，位移随摩擦系数的增大而减小;

(2)隔震装置的刚度与位移均随储液高度的增加而增大，且位移满足隔震装置预留的安全位移宽度要求;

(3)隔震装置遇到小震、中震、大震时，该装置的刚度均无明显变化，处于线弹性阶段;

(4)当滑移隔震结构的位移超出预留安全位移宽度，隔震装置失稳时，装置的有效应力并不会超过钢筋失稳临界应力;

(5)隔震装置设计时需要综合考虑选取最佳设计参数，以满足隔震装置水平刚度的要求。

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［2］项忠权，孙家孔，周建明.立式储油罐的地震作用及抗震分析［C］∥中国石化总公司抗震办公室.圆柱形储液罐抗震文集，北京:地震出版社，1986.

［3］孙建刚.立式储罐地震响应控制研究［D］.北京:中国地震局工程力学研究所，2002.

［4］孙建刚.油田储罐地震反应控制研究［R］.北京:中国石油天然气总公司，1997.

［5］崔利富.立式储罐三维基础隔震体系动响应分析研究［D］.大庆:大庆石油学院，2008.

［6］JADHAV M B，JANGID R S.Response of base isolated liquid storage tanks to near－ fault motions［J］.Structural Engineering and Mechanics，2006，23(6):615 －634.

［7］SHRIMALI M K.Seismic response of elevated liquid storage steel tanks under bi－ direction excitation［J］.Steel Structures，2007，7:239 －251.

［8］CHRISTOVASILIS I，WHITTAKER A.Seismic analysis of conventional and isolated LNG tanks using mechanical analogs［J］.Earthquake Spectra，2008，24(3):599 －616.

Ring Beam Sliding and Re－bar Parallel Isolation Device

YANG Hui－qing1，SUN Jian －gang2，CUI Li－fu3
(1.College of Architecture ＆ Civil Engineering，Northeastern Petroleum University，Daqing Heilongjiang 163318，China;2.College of Architecture ＆ Civil Engineering，Dalian Nationalities University，Dalian Liaoning 116605，China;3.Institute of Road and Bridge Engineering，Dalian Maritime University，Dalian Liaoning 116026，China)

To reduce earthquake response of liquid storage tank，the Ring Beam Sliding and Re－bar Parallel Isolation Device has been presented.The scaled 1∶4 finite element model of the ring beam sliding and re－bar parallel isolation device which applied to vibration platform of 1000m3storage tank have been established.Under frictional coefficient，liquid storing heights，intensities and displacement impacts，the isolation device stiffness has been investigated and has the comparison with the theory.The results show that the design of the isolation device requires the comprehensive consideration to choose the best design parameter in order to meet the requirement of the horizontal stiffness and reduce earthquake response.

storage tank;base isolation;ADINA;finite element analysis

TU352

A

1009－315X(2012)01－0059－04

2011－06－29;最后

2011－07－20

杨惠晴(1988－)，女，吉林省吉林人，东北石油大学硕士研究生，主要从事防灾减灾工程及防护工程研究。

(责任编辑 邹永红)