土体-基础-罐体-液体系统地震响应规律及简化分析方法研究

With the rapid development of economy and the needs of the strategic petroleum reserve in China, more and more large storage tanks are built in soft ground, and the dynamic interaction between soil and tanks become very complicated. However, this dynamic interaction has been almost ignored in current seismic response analysis and design methods of tanks. Based on this background, the seismic response of the complicated system of soil - foundation - tank - liquid will be studied by theoretical analysis and numerical computation, and a simplified seismic analysis method for unanchored tanks considering the dynamic effect of soil will be proposed. The main research contents include: (1) With the establishment of three-dimensional refined analysis model, the dynamic characteristic and seismic responses of the complicated system will be determined by numerical simulation through systematic parameters analysis. (2) From an engineering point of view, based on the traditional seismic simplified analysis model for tanks and lumped mass model for the analysis of soil-structure dynamic interaction system, the simplified seismic computation method for unanchored tanks including the dynamic impact of soil will be established, and the simplified method will be verified and improved through the results of numerical computation and previous literature. The research results can provide a theoretical reference for the development and improvement of seismic analysis methods of tanks in our country, and ensure the normal operation of the urban lifeline engineering and safety of people's lives and property.

随着我国经济的迅速发展和石油战略储备的需要，越来越多的大型储液罐建在软土地基上，地震时土体与罐体的动力相互作用十分复杂，而目前储罐抗震研究和设计方法大都忽略了这种动力相互作用。基于此背景，本项目拟采用数值模拟和理论分析相结合的方法，研究土体-基础-罐体-液体非线性动力相互作用系统的地震响应规律，建立考虑地基效应的非锚固储罐的简化抗震分析方法。主要研究内容包括：（1）建立复杂体系的三维精细化分析模型，采用数值方法研究各方面影响因素对复杂系统动力特性和地震响应的影响规律，研究体系地震响应规律；（2）从工程应用角度出发，基于储罐传统抗震简化分析模型和土与结构动力相互作用体系的集中质量模型，建立考虑地基效应的非锚固罐地震响应分析的简化计算方法，并通过数值结果和相关文献结果进行检验与完善。项目研究成果可为发展和完善我国储罐抗震分析理论提供参考，保证城市生命线工程的正常运行，确保人民生命和财产安全。

目前越来越多的大型储油罐建立在软弱地基上，地震时地基与罐体的动力相互作用十分复杂，而储罐抗震研究大都忽略了这种动力相互作用，与实际不符。基于此，本项目将数值模拟和理论分析相结合，对土体-基础-罐体-液体非线性动力相互作用系统的地震响应规律进行了研究，并建立了考虑地基效应的大型储罐液体体系动力特性的简化计算方法。通过建立罐液体系的三维精细化模型，研究了各种影响因素对复杂系统动力特性和地震响应的影响规律，包括四种不同场地类别，地震动频谱特性，以及地震动激励方向等，得到了罐体地震变形和应力，液体晃动，罐体底部的剪力以及倾覆弯矩等的地震响应。结果表明，竖向地震动会增大罐体的地震响应，罐底出现了明显的”象足”变形。建立了考虑地基-桩体-罐体-液体多因素的大型罐体三维数值分析模型，并进行了模态分析。并与不考虑地基-桩体效应的罐液模型的动力特性进行了模态结果对比。考虑土结相互作用之后，出现了液体对流晃动频率、土-罐-液整体振动频率和罐液耦联振动频率等低、中、高三个振动频率，且前两阶频率罐液耦联振动频率有所减小，也更为密集。应考虑土结相互作用的影响，否则将会高估罐液耦联振动频率。在此基础上对地基-桩体-罐体-液体多因素的大型罐体模型进行了地震响应规律分析，研究了罐体地震变形和应力，液体晃动，罐体底部的剪力以及倾覆弯矩等地震响应特点。考虑到地基-储罐-液体体系的数值模型模态计算规模大，计算效率低，研究了一种考虑地基效应的大型储罐模型模态的简化方法。采用此方法计算精度高，求解规模小，计算速度快，可用于大型储罐的地基-储罐-液体系统模态分析。研究成果可为发展和完善我国储罐抗震分析理论提供参考。