复杂罐体非线性晃动和振动控制研究

This project aims to explore seismic response law of complex tank structure under the liquid (liquid metal, etc.) nonlinear sloshing, and establish corresponding simplified analytical model and method. Complex tank structures are important energy infrastructure and lifeline projects which are demanding and critical in security, such as nuclear power plants, extra-large natural gas tank, etc. However, the past earthquakes have shown, these tanks are easily damaged in the earthquake followed by greater secondary disasters. In the popular theory, sloshing response is based on linear hypothesis of the liquid surface with unchanged liquid property, which is different from the fact that actual liquid property changes with temperature and other factors. When applied in super earthquake (higher than design level), the actual seismic nonlinear response is quite different from linear sloshing theory. The vibration control system can overall reduce the seismic response of the storage liquid tank; however, isolation method can lead to strong nonlinear sloshing of convective component, threatening the safety of the structure and leading to leakage of liquid. Based on the previous studies, the simplified analytical method for nonlinear sloshing response of liquid in common shaped tank is established in this study through numerical simulation, theoretical analysis and experiments.

项目研究目的是探寻液体（液态金属等）非线性晃动的复杂罐体结构地震响应规律，并建立非线性晃动简化分析模型和方法。复杂罐体结构往往属于安全等级要求严格的重要能源基础设施和生命线工程，如核电站、特大型天然气储罐等。然而以往的地震已经证明，这些罐体在地震作用下极易损坏，容易导致更大的次生灾害。目前使用的主要理论中，晃动响应是基于液体表面线性假设，且大多是建立在液体性质不变的基础上，这同实际使用中很多液体性质会随温度等因素变化有一定的不同。在超强地震作用下，线性晃动理论同实际的地震中非线性响应会有较大的差别；此外在有振动控制系统的储罐中,虽然整体结构地震响应可能大幅度降低,但是对流部分的地震响应可能呈现较强的非线性晃动，这可能威胁到结构的安全以及导致液体的泄漏。本项目在前期工作基础上，欲通过数值模拟、理论分析、实验研究的途径建立常见形状储罐液体非线性晃动地震响应简化分析方法。

储液罐结构是工业建筑中的一种重要结构形式，是很多有重要影响和战略意义的工程的重要组成部分，比如在天然气接收站和核电站等设施中均有使用，这些储罐一旦发生损坏，通常会带来严重后果。储罐设施采用减隔震手段降低地震响应已经被证明是一种有效方法，如何更好和更有效的利用减隔震措施保护储罐在地震中的安全是本项目的研究目的。. 首先为了使储罐研究分析的基本模型更符合实际情况，本文利用半解析方法求得了储液罐简化模型的修正公式。新的计算公式中，考虑了液体的体积模量，高阶模态和柔性罐壁的影响。此方法求得的等效简化公式其等效对流周期、对流质量较以往公式增大，等效对流高度较小。新公式可以在储液罐受到水平地面运动作用时使用。. 阻尼器是储罐减隔震系统的重要组成部分，其性能特性对储液罐地震响应有着重要影响。不同类型的阻尼器对隔震储液罐的性能有着怎样的影响是值得探究的。因此研究中针对速度型和非速度型两大类阻尼器展开，发现此两类阻尼器对于储罐的地震响应特征有着不同的影响。. 在对储罐进行动力分析时，必然触及到对地震动时程信号的处理与筛选。为解决地震动时程信号处理过程中遇到的问题，系统地了解地震动信号的特性，研究中开发了专门用于地震动信号处理和单自由度地震响应分析的计算机软件EQSignal。在EQSignal中引入了提出的两类基线校正算法，通过几个算例验证了这两类算法与传统算法相比可以得到更好的基线校正效果。. 研究中发现可以通过质量干预的方法降低储液罐的地震响应，并采用了黏滞质量阻尼器配合隔震支座来达到这种目的。研究显示，这种方式可以同时降低储液的晃动，基底剪力，倾覆弯矩等性能指标。研究中还提出了串联黏滞质量阻尼器的概念。通过分析发现，单质点体系中安装此阻尼器时，隔震的有效频域范围相较黏滞阻尼器要大，并且传递率更低。