储罐抗震研究现状
气柜是储罐的一种形式,是调和产气与用气之间若干矛盾必不可少的设备,也是煤气输送管网中调节峰值的设备,在钢铁等行业的生产过程中有着极为重要的作用[33-34]。
一旦气柜发生结构变形就会影响正常工作。由于设计不当,气柜倒塌现象时有发生,这会造成煤气的泄漏,其后果非常严重,不仅影响正常的生产工作,散发出去的有毒气体还易造成二次灾害。因此气柜的设计、施工都有很高的要求。由于这种结构的设计方案是从日本引进的,国内工程设计人员经验不足,通过放大安全系数和截面尺寸来设计,造成了钢材和人力的浪费。虽然近年来干式气柜在我国大量建造,研究工作也取得了一些进展,然而在抗震方面的研究还远落后于工程实践的需要。随着计算机水平的飞速发展和社会发展需要,为人们对气柜结构抗震规律的认识提供了有利的客观条件。 顾强、陈绍番等对宝钢 15 万 m3可隆型干式煤气柜进行了现场实测和振动台模型的试验,然后编制程序对宝钢 8 万 m3威金斯型煤气柜和 15 万 m3可隆型煤气柜进行了抗震分析[39-40]。童根树、许钧陶对正多边形干式煤气贮柜的自振特性和地震响应进行了分析,发现 MAN 型气柜结构的地震响是以第一振型为主,并且给出了基本周期的计算公式[41]。
马明娟运用 ANSYS 有限元软件对威金斯气柜在水平和竖向地震波激励下的进行分析,得出气柜的竖向位移较大。此后,又对气柜进行罕遇地震作用下的分析,得出气柜筒体的变形较小,等效应力也没有超过钢材的屈服应力,从而证明了威金斯储气柜筒体的抗震性能良好[47]。贾冬云利用大型有限元软件 ABAQUS 对正多边形气柜进行抗震析,首先考虑活塞的实际构造及运行特点,提出了把活塞取为 SMD 的气柜抗震分析方法。然后根据气柜中活塞的实际运动过程,提出将活塞做为以悬浮质量块阻尼器(SMD),从而建立气柜的 SMD 计算模型,并由此推导了活塞结构刚度系数的计算公式。最后通过研究分析,得出活塞对筒体抗震性能具有一定影响,并提出了设计的理论和方法[48]。王凌西通过对干式煤气柜进行动力特性分析,得出气柜的自振周期随活塞上升而延长,从低位时 0.438s 延长至高位的 0.801s[51]。焦红伟运用大型有限元软件建立了煤气柜的有限元模型,分析了考虑活塞运动的动力特性,总结出了煤气柜的频率和振型分布情况;采用 SRSS 法、CQC 法和虚拟激励法研究了模态交叉项、参振模态数量对煤气柜响应的影响[52]。
因为涉及知识产权的保护,以及气柜抗震性能研究较少,所能查到的抗震设计理论和方法的文献不多。鉴于气柜与储罐的结构形式和受力特性等基本一致,所以相关储罐结构的抗震研究现状也有助于启发气柜的抗震研究。 Edwards 采用有限元法在计算机上首次对储液罐-流体藕合系统的地震反应进行了模拟,得出一些有益结论[35]。Veletsos 对柔性储液罐在水平地震激励下的脉冲压力进行分析,得出相应的简化计算方法—假定模态法以及在相同地震激励下, 刚性罐比柔性储液罐的反应小很多的结论[36]。Clough 等首次对无锚固罐的地震响应进行了实验研究,并且得出:地基性质对储罐底板的区域和提离大小有一定的影响;非线性的提离机理控制储罐的动力响应[
37]。Y.Q.Li 对卧式半圆柱壳体进行了刚性模型测压实验,得到动力时程数据,并进行了动态时程分析[38]。周利剑通过研究立式钢制储罐在指定烈度下基于损伤性能的抗震设计方法,提出了能与现行抗震设计规范相衔接的立式钢制储罐的地震损伤性能目标;
一种抗提离效应的抗震设计方法;立式钢制储罐基于损伤性能的抗震设计准则[42]。张云峰、周利剑应用 ANSYS 软件对 1000 m3和 10000 m3储罐进行动力反应谱分析,并与规范对比,得出 ANSYS 有限元计算结果比规范计算结果略小,说明了规范的计算方法偏于保守,可适当放宽[43]。周利剑、孙建刚、张云峰通过对立式储罐在指定烈度下基于损伤性能的抗震设计方法的研究以及对砖混结构和钢筋混凝土框架结构等对应于不同震害等级的损伤指数范围的总结,给出了储罐在各种震害等级中对应的损伤指数[44]。沈建民对油罐在水平位移激励下的响应进行分析, 得出在地震激励下,罐壁反应较大,最大罐壁加速度是输入的最大加速度的几十倍,动力放大效应十分明显[45]。刘勇通过假定罐底和罐壁的运动模式,用虚功原理计算水平及竖向地震作用,得到广义坐标的藕合运动方程,再用实例对储罐在三种典型地震波作用下的地震响应进行了详细的分析,得出一些有益结论[46]。
陈海阳利用大型有限元分析软件 ADINA,通过考虑地基与储罐相互作用和液体与储罐之间的耦合问题的情况下,建立数值模型,分析其在地震作用下的动力响应。得出液体晃动对储罐各项地震响应均有显著影响等有益结论[49]。黄兢应用大型有限元软件 ADINA对 LNG 储罐进行地震响应分析,得出水平向次要地震波对结构基本没有影响,只需考虑主要的地震波方向;竖向地震波对软弱场地的影响极其明显,竖向地震波和液面高度对储罐加速度峰值影响较大[50]。
1.2.3 结构优化研究
结构的优化设计是在给定的约束条件下,按照某种目标(如成本最低、刚度最大、重量最轻等)求出最优的设计方案。结构的优化设计是近几十年方兴未艾的新科学,它将结构选型和结构优化相结合,在优化方法中引进仿生学方法和自然生态理念,通过优化结构形式。结构形状尺寸来充分发挥材料的力学性能、降低结构成本,实现建筑结构
从构件截面到结构形状、拓扑、布局和选型的优化,追求建筑结构美观大方、简洁实用、安全可靠且经济低耗的综合设计目标,从而达到现代建筑结构设计“好”与“省”的和谐统一。结构的优化设计从马克斯威尔理论和米歇尔桁架出现已有一百多年了。上个世纪 50 年代,Schmit 通过数学规划的方法解决结构优化的问题。在近 30 年,结构优化在理论、算法和应用发面都有很大的发展。这些方法大部分都是关于连续变量优化设计的,只有很少的一部分是关于离散变量优化设计的。但实际工程中的钢构件的截面尺寸都是不连续的离散变量。因此,研究离散变量结构的优化设计理论和方法及其应用具有重要的理论和工程价值。 离散变量优化设计问题实质上是组合最优化设计问题,即从所有可能的组合中寻求最优解。其设计方法可归纳为三大类:
(1)近似算法。这种算法求得的是近似的最优解,但这种算法能设置一固定值来保证近似最优解与精确最优解的相对误差在某一合适的范围内。由于确定相对误差界限较难,因此,仅有极少的一些问题运用此法。
(2)精确算法。这种算法可求得问题的全局最优解,但这种算法一般指的是数型算法,如:枚举法、Gomory 的割平面法[53]、Dakin 的改进的分支定界法[54]、定界组合法、动态规划法[55]等。计算效率是这类算法的评价标准。
(3)启发式算法。这种算法是在允许的时间内求得一个近似最优解。其适用于无法估计计算误差的情况。启发式算法计算工作量小,能计算大规模问题,因此这种算法应用较广。如:柴山、孙焕纯等提出的相对差商法[56];仿真学方法-模拟退火法、神经网络法和遗传算法等。
目前,国内外对离散变量结构优化设计的相关研究方面,主要有以下的一些成果: Schmit 和 Kicher 对三杆桁架的形状采用枚举法进行了优化[57]。Lipson 和 Gwin 对多工况下的桁架结构的形状采用复形法进行了优化[58]。Robert Levy 等先对预应力网架结构深入的理论分析,在此基础上对其进行合理的优化设计,最后又进行了实验研究,得出一些有益结论[59]。尹思明等对拉索预应力球壳进行了研究,总结了结构选型、计算方法、构造要求、受力特点以及施工等多方面的问题[60]。柴山、孙焕纯提出了相对差商法,运用这种方法能求解一类(0,1)规划问题。其优点是对任意规模的问题可迅速求解,并且还给出了该算法的误差估计及解的修正算法[61]。石连拴、孙焕纯、柴山提出了两类变量综合处理的结构形状优化设计方法,并且运用这种算法对几个经典的结构进行优化设计,结果显示了该方法能得到较好的优化结果[62]。王光远、吕大刚提出了基于最优设防烈度和损伤性能的优化设计概念,并且利用数学模型,分析了优化模型的求解策略和特点。最后通过对一个算例的详细计算,很好的介绍了此方法的运用[
63]。
邓华、董石麟本文通过建立目标函数,和设计变量对拉索预应力空间网格结构进行优化设计。并且建立结构优化设计的数学模型。提出了二级优化算法。最后用算例证明了这种算法有较好的收敛性和计算效率[64]。熊伟采用结构离散法,以形状优化为主,并且引入 CAD 辅助设计对张弦桁架进行了优化设计[65]。程耿东、许林提出了多目标函数的优化方法,并且通过算例证实算法的有较好的优化效果[66] 。孙贤斌等人用混合遗传算法进行结构的优化设计,结果表明,改进后的混合遗传算法具有很好的收敛性[67]。张爱林、杨海军通过将设计变量分为两个子空间的方法对预应力索-桁架结构形状进行优化设计,并且用算例表明,该方法能使结构刚度不减的前提下,结构重量逐步减轻,形状逐步达到最优的效果[68]。卜国雄等人提出了在随机地震的作用下,基于能量法的 TMD 参数优化设计方法[69]。刘钊基于能量法,以极小化系梁和拱肋的应变能为目标,研究了系杆拱桥吊杆合理内力的确定方法[70]。王伟、赵美英等人使用 PCL 实现了 Patran 环境下机翼的参数化模型。在 Matlab 环境下,编写了优化程序,对整个机翼的布局进行了优化设计。最后得出将神经网络功能和参数化建模结合进行优化,能更好地发挥神经网络的映射功能,使优化结果更加有效[71]。