儲罐地震基本概念

儲罐在煉油廠(chǎng)、化工廠(chǎng)非常常見(jiàn)，它儲存著(zhù)大量的石油，原油等易燃易爆危險化學(xué)品。

為了避免火災，爆炸，環(huán)境污染或災難等不利后果，我們非常必要深入了解它們的地震行為。

儲罐可以剛性或柔性的附著(zhù)在地面上。

如果儲罐為剛體附著(zhù)在地面上，在水平地面加速過(guò)程中，罐壁和底板作為移動(dòng)地面的一部分做出響應，并與地面保持一致。

剛性罐壁和地面的水平加速度引起的慣性力與地面加速度成正比。

當儲罐裝滿(mǎn)液體時(shí)，所含下部液體（Wi）就像與儲罐壁剛性連接在一起（耦連）。

當這個(gè)質(zhì)量加速時(shí)，它對罐壁施加一個(gè)水平力，該力與罐底的最大加速度成正比，此力定義為脈沖力（Impulsive force）Pi。

儲罐內上部液體（Wc）充當固體振蕩質(zhì)量，在相同的加速度下柔性連接到罐壁。

這部分以其自振頻率振蕩（晃動(dòng)），在罐壁上施加一個(gè)與該頻率的平方以及地面加速度成正比的附加力，該力定義為對流分量(Convective component) Pc。

對流分量振蕩的特征在于“晃動(dòng)”（Sloshing）作用，液體一側上升到靜態(tài)液面之上，一側則下降到靜態(tài)液面之下。

上面的流程只對于剛性基礎上的剛性?xún)抻行?剛性罐的罐壁與地面同步移動(dòng)。

柔性罐的運動(dòng)則不同，柔性影響流體動(dòng)力學(xué)效應，并可能顯著(zhù)增加影響地震特性。

下圖為儲罐抗震的數學(xué)模型：

液體的晃動(dòng)對儲罐的響應有顯著(zhù)影響。

考慮液體晃動(dòng)時(shí)，自由液體表面的動(dòng)水壓力分布、力矩和固有頻率的估計是主要問(wèn)題。

為了模擬晃動(dòng)部分，研究人員使用了各種機械模型，例如質(zhì)量彈簧阻尼器或擺系統。

在過(guò)去的幾十年里，晃動(dòng)效應一直在研究之中。這些研究中考慮了許多重要現象，例如晃動(dòng)對非粘性和粘性液體的線(xiàn)性和非線(xiàn)性影響。

地震危害之1：罐底提升

當未錨固的罐體暴露于強烈的地面震動(dòng)時(shí)，會(huì )有傾覆力矩，產(chǎn)生流體動(dòng)力壓力，并且罐體一側會(huì )被抬起，除非罐體的重量可以平衡并防止在傾覆力矩期間被抬起。

罐底提升，可能導致罐壁破壞，輸入、輸出管道破裂，局部連接處應力超標或使基礎不對稱(chēng)。

下圖為地震罐壁提升的效果圖。

如果不是旁邊的大罐依靠一下，儲罐可能會(huì )完全傾覆。

地震危害之2：罐壁屈服

罐壁屈服分為兩種：

A）由罐壁的軸向壓縮應力引起的，在罐壁中間段產(chǎn)生的彈性屈曲（菱形壁）。

如下圖所示：

B) 由罐壁的軸向壓縮應力引起的，在儲罐底部產(chǎn)生的彈塑性屈曲（象足）。

罐壁中的環(huán)向拉應力對象足屈曲的發(fā)生也有重要影響，隨著(zhù)罐壁中的環(huán)向拉應力的增加，罐壁的屈服臨界應力會(huì )降低。

非錨固的儲罐在地震下的提離作用會(huì )使得儲罐瞬間軸向壓應力非常大，儲罐更容易發(fā)生屈曲。

為防止彈性和彈塑性屈曲損壞，應防止罐壁中產(chǎn)生的壓縮應力（垂直地震力和提離）和罐壁中周向應力的過(guò)度增加。

地震危害之3：不對稱(chēng)沉降和滑移

地震時(shí)罐底與基礎碰撞產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)力，導致罐內會(huì )發(fā)生沉降。

沉降的限制值可以參考GB 50341-2014，附錄E.4.5條。

地震在儲罐底部產(chǎn)生的剪力可能會(huì )克服儲罐底部與地基之間的摩擦力而導致儲罐滑移。

為了控制儲罐滑移，將基礎視為驅動(dòng)力，將儲罐底部與床層的摩擦力視為平衡力。根據ASCE的建議，防止滑移所需的最小安全系數為1.5。

為計算抗滑移的平衡力，API建議罐底與地基之間的摩擦系數不大于 0.4。

這種損壞在直徑小于9米的儲罐中發(fā)生較多。

地震危害之4：損壞儲罐基礎

很多時(shí)候，儲罐位于不適合建造儲罐的區域。在未錨固或未全完錨固且有堅實(shí)基礎的儲罐中，罐壁與底板的大角焊縫很大概率會(huì )出現故障。

地震加速度會(huì )導致儲罐提升。

有時(shí)，罐體傾倒會(huì )導致罐體基礎受到侵蝕；

地震常見(jiàn)的故障是罐壁附近的罐底變形，這可能是由于土壤液化、邊坡不穩定或過(guò)度沉降造成的。

可以在儲罐下方使用加強的基礎來(lái)防止這種破壞。

在柔性基礎上制造的儲罐比在剛性基礎上實(shí)施更合適。因為軟基礎會(huì )導致罐體振動(dòng)周期加長(cháng)。

地震危害之5：傾覆

地震引起的傾覆力矩會(huì )導致部分罐體底板被抬升，該類(lèi)型罐體的地震響應退出線(xiàn)性范圍，進(jìn)入非線(xiàn)性階段。

隨著(zhù)罐體高徑比的增大，質(zhì)心與底部之間的距離增加，從而傾覆力矩增大，穩定性降低。

API 650規范中的附錄 E ，基于錨固比J進(jìn)行控制。

如果錨固比J大于 1.54，則儲罐將不穩定并會(huì )產(chǎn)生傾覆，此時(shí)必須要設置錨固。

地震危害之6：罐頂部破壞

儲罐及儲液由于地震力而振動(dòng)，儲罐內儲液表面產(chǎn)生波浪。

當頻率遠低于罐壁的頻率時(shí)，儲液就會(huì )發(fā)生振動(dòng)，儲液的振動(dòng)幅度受地震頻率的影響。

如果儲液晃動(dòng)波高的自由距離不夠，就會(huì )損壞結構。

下圖為晃動(dòng)波產(chǎn)生的破壞。

為控制液體（晃動(dòng)）和罐頂損壞，可增加液體自由高度（Freeboard），或加固儲罐頂板。

根據 API 650規范，對自由高度有所要求，最低不低于0.7倍的晃動(dòng)波高。

按照GB50341設計的儲罐，自由高度應不低于晃動(dòng)波高。

有時(shí)由于罐壁與罐底的連接失效，或與罐連接的管道失效，導致罐內液體很快耗盡；

結果，液體快速排放產(chǎn)生了部分真空，導致罐頂和罐殼的上部失穩破壞。