论文部分内容阅读
摘要：利用地震响应谱理论和海洋平台结构分析软件SACS求解平台罐体处各阶振型对应的地震加速度并拟合地震激励，利用流体动力学软件FLUENT模拟在地震激励作用下方罐内液体的响应，从而得到方罐四周液体的动压力情况，解决了大型方罐地震液体晃荡问题。
关键词：方形储油罐，抗震设计 地震响应谱 液体晃荡 流体动力学
Abstract： Answer the platform square storage tank’s seismic acceleration and exciting fitting under the response spectrum theory and offshore platform structure analysis software SACS， acquire liquid response and dynamic pressure under the fluid dynamics software-FLUENT， and solve the liquid sloshing problem for the large square storage tank.
Key Words： Square storage tank Antiseismic design Seismic response spectrum Liquid sloshing Fluid dynamics
1. 引言
2009年投产的旅大32-2 PSP平台是国内第一个自主设计、建造和安装的，集生产、储油和外输于一体的新型生产储油平台，是中海油一种新型开发模式的有益探索。该平台利用主结构作为载体有效围成储油能力为1万2千多方的方形储油罐，储油罐与平台结构连为一体相互影响。地震时，罐内液体的对罐体和平台的影响是设计要考虑的重要问题，同时，该问题没有相关规范可遵循。3. 平台整体地震响应分析方法
3.1 地震设计原则和条件
抗震设计的基本原则是“小震不坏、中震可修、大震不倒”，这就是说，按照这个原则设计的结构，在遭遇轻微的地震时，不会发生损坏或不需修理仍可继续使用；
从力学概念上讲，一般情况下，当结构遭遇第一水准烈度的地震时，还处于弹性状态；当遭遇第二水准烈度的地震时，结构进入非弹性状态（但这种非弹性还仅是材料的变化）；当遭遇第三水准烈度时，结构已发生较大的非弹性变形。
结构的抗地震设计，尽管各国规范的规定不尽相同，但基本上都是按照“中震可修（或小震不坏）、大震不倒”的两个水准进行设计。API RP 2A-WSD在地震分析的规定上，其作法与上述作法是一致的。该标准规定，对地震作用分析要进行强度和韧性两种分析，这就是这种作法的体现。由于海洋石油总公司等同采用API RP 2A-WSD为行业标准，因此，对抗地震设计，也是进行强度和韧性两种分析。结合我国规定，在进行强度分析时，采用的是50年重现期10%超越概率的地面水平峰值加速度；在进行韧性分析时，采用50年重现期2%超越概率的地面水平峰值加速度。
需要说明的是，“烈度”和 “地面水平峰值加速度”两个词的概念是不一样的，但分别采用二者设计的效果是等同的。海洋石油总公司不直接采用“烈度”进行设计的原因，是因为我国目前在海上还没有进行地震烈度的区划，同时又没有相应的设计规定，因此，不能直接采用烈度值进行设计。但使用“地面水平峰值加速度”的作法是符合我国“双轨制”抗震设防的作法和国际作法的。要注意的是，设计采用的加速度一类的地震动参数必须要得到国家有关主管部门的批准。
取500年一遇（近似于50年超越概率约10%）对应水平加速度作为强度验算的加速度，由于表3-1缺少50年重现期2%超越概率的地面水平峰值加速度，故根据API规范，取2倍强度地震荷载来进行地震韧性分析。
3.2地震响应分析方法
地震作用的分析有三种方法：地震系数法、反应谱法和时间历程法（时程法）。地震系数法由于精度较差，因而一般仅用于初步计算。响应谱由于实用、简单，且能给出满意的结果，因此是目前设计采用较多的方法。时程法结果最精确，且能给出过程特性，但由于分析复杂，因而仅在重要的工程中，得到应用。
本文采用响应谱法进行平台整体地震分析， 响应谱法是目前地震作用分析广泛采用的方法。响应谱法的基础是振型迭加法。由于迭加原理要求系统是线性的，因此，响应谱法仅适用于线性系统。
振型迭加法的基本原理是将相互关联和影响的多自由度振动解耦成相互无关的单自由度振动，然后求解这多个单自由度振动，最后按照一定的原则进行迭加，则得到结构的响应。响应谱法应用极为成熟，由于人们对地震的重视而记录的大量地震记录曲线，为响应谱的制作提供了丰富的素材。
4. 地震液体晃荡荷载分析
关于方型罐地震液体晃荡荷载如何考虑，没有任何规范可遵循，我国《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》GB 50341地震作用验算用的公式仅限于圆筒罐[3]，方型罐无法套用。本文利用计算流体动力学软件FLUENT，通过模拟地震波对不同液位状态下的罐体进行动力分析，并研究罐体四周受压的分布状态。对于地震波的选取，由于罐体处于平台甲板上，缺乏地震波数据，本文采用振型叠加方法利用前20阶振型所对应的加速度来拟合地震波
5.结束语
常规储油罐设计可依照罐体规范进行设计，但与结构连为一体相互影响的旅大32-2 PSP大型方形储油罐需要结合自身的特点进行多方面探索，其中地震时方罐内液体晃荡荷载分析为其中的难点之一。本文利用地震响应谱理论和SACS软件求解平台罐体处各阶振型对应的地震加速度并拟合地震激励，利用流体动力学软件FLUENT模拟在地震激励作用下储罐由内液体的响应，从而得到地震作用下，旅大32-2 PSP 方型储油罐在地震作用下液体动压力与静压力的比值不超过1.5倍的结论，该结论大大简化工程设计，同时也为今后类似罐体的设计带来宝贵的借鉴作用。
参考文献
1 American Petroleum Institute （API）， RP 2A， Recommended Practice for Planning， Designing， and Constructing Fixed Offshore Platforms -- Working Stress Design， （21st）
2 薛素铎，赵均，高向宇. 建筑抗震设计规范.北京：科学出版社，2003.
3 钢质焊接常压容器（JB/T4735），中国石油化工总公司，1997.
关键词：方形储油罐，抗震设计 地震响应谱 液体晃荡 流体动力学
Abstract： Answer the platform square storage tank’s seismic acceleration and exciting fitting under the response spectrum theory and offshore platform structure analysis software SACS， acquire liquid response and dynamic pressure under the fluid dynamics software-FLUENT， and solve the liquid sloshing problem for the large square storage tank.
Key Words： Square storage tank Antiseismic design Seismic response spectrum Liquid sloshing Fluid dynamics
1. 引言
2009年投产的旅大32-2 PSP平台是国内第一个自主设计、建造和安装的，集生产、储油和外输于一体的新型生产储油平台，是中海油一种新型开发模式的有益探索。该平台利用主结构作为载体有效围成储油能力为1万2千多方的方形储油罐，储油罐与平台结构连为一体相互影响。地震时，罐内液体的对罐体和平台的影响是设计要考虑的重要问题，同时，该问题没有相关规范可遵循。3. 平台整体地震响应分析方法
3.1 地震设计原则和条件
抗震设计的基本原则是“小震不坏、中震可修、大震不倒”，这就是说，按照这个原则设计的结构，在遭遇轻微的地震时，不会发生损坏或不需修理仍可继续使用；
从力学概念上讲，一般情况下，当结构遭遇第一水准烈度的地震时，还处于弹性状态；当遭遇第二水准烈度的地震时，结构进入非弹性状态（但这种非弹性还仅是材料的变化）；当遭遇第三水准烈度时，结构已发生较大的非弹性变形。
结构的抗地震设计，尽管各国规范的规定不尽相同，但基本上都是按照“中震可修（或小震不坏）、大震不倒”的两个水准进行设计。API RP 2A-WSD在地震分析的规定上，其作法与上述作法是一致的。该标准规定，对地震作用分析要进行强度和韧性两种分析，这就是这种作法的体现。由于海洋石油总公司等同采用API RP 2A-WSD为行业标准，因此，对抗地震设计，也是进行强度和韧性两种分析。结合我国规定，在进行强度分析时，采用的是50年重现期10%超越概率的地面水平峰值加速度；在进行韧性分析时，采用50年重现期2%超越概率的地面水平峰值加速度。
需要说明的是，“烈度”和 “地面水平峰值加速度”两个词的概念是不一样的，但分别采用二者设计的效果是等同的。海洋石油总公司不直接采用“烈度”进行设计的原因，是因为我国目前在海上还没有进行地震烈度的区划，同时又没有相应的设计规定，因此，不能直接采用烈度值进行设计。但使用“地面水平峰值加速度”的作法是符合我国“双轨制”抗震设防的作法和国际作法的。要注意的是，设计采用的加速度一类的地震动参数必须要得到国家有关主管部门的批准。
取500年一遇（近似于50年超越概率约10%）对应水平加速度作为强度验算的加速度，由于表3-1缺少50年重现期2%超越概率的地面水平峰值加速度，故根据API规范，取2倍强度地震荷载来进行地震韧性分析。
3.2地震响应分析方法
地震作用的分析有三种方法：地震系数法、反应谱法和时间历程法（时程法）。地震系数法由于精度较差，因而一般仅用于初步计算。响应谱由于实用、简单，且能给出满意的结果，因此是目前设计采用较多的方法。时程法结果最精确，且能给出过程特性，但由于分析复杂，因而仅在重要的工程中，得到应用。
本文采用响应谱法进行平台整体地震分析， 响应谱法是目前地震作用分析广泛采用的方法。响应谱法的基础是振型迭加法。由于迭加原理要求系统是线性的，因此，响应谱法仅适用于线性系统。
振型迭加法的基本原理是将相互关联和影响的多自由度振动解耦成相互无关的单自由度振动，然后求解这多个单自由度振动，最后按照一定的原则进行迭加，则得到结构的响应。响应谱法应用极为成熟，由于人们对地震的重视而记录的大量地震记录曲线，为响应谱的制作提供了丰富的素材。
4. 地震液体晃荡荷载分析
关于方型罐地震液体晃荡荷载如何考虑，没有任何规范可遵循，我国《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》GB 50341地震作用验算用的公式仅限于圆筒罐[3]，方型罐无法套用。本文利用计算流体动力学软件FLUENT，通过模拟地震波对不同液位状态下的罐体进行动力分析，并研究罐体四周受压的分布状态。对于地震波的选取，由于罐体处于平台甲板上，缺乏地震波数据，本文采用振型叠加方法利用前20阶振型所对应的加速度来拟合地震波
5.结束语
常规储油罐设计可依照罐体规范进行设计，但与结构连为一体相互影响的旅大32-2 PSP大型方形储油罐需要结合自身的特点进行多方面探索，其中地震时方罐内液体晃荡荷载分析为其中的难点之一。本文利用地震响应谱理论和SACS软件求解平台罐体处各阶振型对应的地震加速度并拟合地震激励，利用流体动力学软件FLUENT模拟在地震激励作用下储罐由内液体的响应，从而得到地震作用下，旅大32-2 PSP 方型储油罐在地震作用下液体动压力与静压力的比值不超过1.5倍的结论，该结论大大简化工程设计，同时也为今后类似罐体的设计带来宝贵的借鉴作用。
参考文献
1 American Petroleum Institute （API）， RP 2A， Recommended Practice for Planning， Designing， and Constructing Fixed Offshore Platforms -- Working Stress Design， （21st）
2 薛素铎，赵均，高向宇. 建筑抗震设计规范.北京：科学出版社，2003.
3 钢质焊接常压容器（JB/T4735），中国石油化工总公司，1997.