儲罐地震基本概念

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

為了避免火災(zāi)，爆炸，環(huán)境污染或?yàn)?zāi)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在地面上。

如果儲罐為剛體附著在地面上，在水平地面加速過程中，罐壁和底板作為移動(dòng)地面的一部分做出響應(yīng)，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(dāng)儲罐裝滿液體時(shí)，所含下部液體（Wi）就像與儲罐壁剛性連接在一起（耦連）。

當(dāng)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(nèi)上部液體（Wc）充當(dāng)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(cè)上升到靜態(tài)液面之上，一側(cè)則下降到靜態(tài)液面之下。

上面的流程只對于剛性基礎(chǔ)上的剛性儲罐有效-剛性罐的罐壁與地面同步移動(dòng)。

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

下圖為儲罐抗震的數(shù)學(xué)模型：

液體的晃動(dòng)對儲罐的響應(yīng)有顯著影響。

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(jì)是主要問題。

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

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

地震危害之1：罐底提升

當(dāng)未錨固的罐體暴露于強(qiáng)烈的地面震動(dòng)時(shí)，會有傾覆力矩，產(chǎn)生流體動(dòng)力壓力，并且罐體一側(cè)會被抬起，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(dǎo)致罐壁破壞，輸入、輸出管道破裂，局部連接處應(yīng)力超標(biāo)或使基礎(chǔ)不對稱。

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

非錨固的儲罐在地震下的提離作用會使得儲罐瞬間軸向壓應(yīng)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(yīng)防止罐壁中產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力（垂直地震力和提離）和罐壁中周向應(yīng)力的過度增加。

地震危害之3：不對稱沉降和滑移

地震時(shí)罐底與基礎(chǔ)碰撞產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)力，導(dǎo)致罐內(nèi)會發(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)生的剪力可能會克服儲罐底部與地基之間的摩擦力而導(dǎo)致儲罐滑移。

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

為計(jì)算抗滑移的平衡力，API建議罐底與地基之間的摩擦系數(shù)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(chǔ)

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

地震加速度會導(dǎo)致儲罐提升。

有時(shí)，罐體傾倒會導(dǎo)致罐體基礎(chǔ)受到侵蝕；

地震常見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(wěn)定或過度沉降造成的。

可以在儲罐下方使用加強(qiáng)的基礎(chǔ)來防止這種破壞。

在柔性基礎(chǔ)上制造的儲罐比在剛性基礎(chǔ)上實(shí)施更合適。因?yàn)檐浕A(chǔ)會導(dǎo)致罐體振動(dòng)周期加長。

地震危害之5：傾覆

地震引起的傾覆力矩會導(dǎo)致部分罐體底板被抬升，該類型罐體的地震響應(yīng)退出線性范圍，進(jìn)入非線性階段。

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

API 650規(guī)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(wěn)定并會產(chǎn)生傾覆，此時(shí)必須要設(shè)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(nèi)儲液表面產(chǎn)生波浪。

當(dāng)頻率遠(yuǎn)低于罐壁的頻率時(shí)，儲液就會發(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，就會損壞結(jié)構(gòu)。

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(jù) API 650規(guī)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(shè)計(jì)的儲罐，自由高度應(yīng)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(dǎo)致罐內(nèi)液體很快耗盡；

結(jié)果，液體快速排放產(chǎn)生了部分真空，導(dǎo)致罐頂和罐殼的上部失穩(wěn)破壞。