大型混凝土全容罐阻尼研究分析

一、研究的意义

随着能源转型的深入推进，液化天然气(LNG)作为清洁、高效的能源资源在全球能源结构中的地位日益凸显，市场需求持续增长。我国 LNG 接收站等基础设施建设加速推进。LNG 接收站是全球优质资源进入我国市场的重要通道，不仅积极帮助我国企业在全球范围进行资源配置和优化，而且有效提升油气行业资源利用效率，对保障天然气供应安全具有重要意义，而储罐是接收站内重要的设施之一。

研究储罐阻尼比和储罐隔震的意义不仅在于提高储罐的抗震性能和降低自然灾害的破坏风险，而且对于经济、社会和环境都具有深远的影响。

本研究的核心目标对不同分析方法下进行阻尼系数研究。具体而言，我们将聚焦于调整储罐在运营基准地震(OBE)和作用下的各个关键部位的阻尼比。为此，我们将广泛查阅国内外相关领域的最新研究成果与文献资料，通过理论分析与实验验证相结合的方式，力求找到最优化的阻尼参数配置。在此基础上开展一系列针对大容量储罐的地震响应分析，从而验证阻尼的正确性。

二、储罐有限单元的建立

全容式 LNG 储罐是一种复杂的结构，其主要组成部分包括：混凝土穹顶、外部混凝土罐体(外罐)、镍钢材质的内部罐体(内罐)、混凝土承台以及桩柱。

在建模阶段，软件灵活地为用户提供了多元化的单元选项。对于液化天然气(LNG)，我们选择了质量弹簧单元进行模拟，以精准捕捉其流体特性。对于基桩，我们则利用梁单元进行建模，以模拟其在受力时的结构响应。对于承台外罐壁等部分，我们选用了壳单元，以简化其复杂的结构并准确预测其力学行为。

三、阻尼分析概述

低温罐的结构类型复杂、内部构件繁多，在进行结构仿真模拟时，为更精准、更详尽的获取大型储罐在隔震与非隔震下的地震实际响应，有必要深化各部位阻尼比(阻尼参数)的研究。在 ANSYS 中可使用 7 种阻尼,即瑞利阻尼、材料阻尼、常阻尼比、模态阻尼、单元阻尼、材料常阻尼系数、材料结构阻尼系数。在 ANSYS 中可同时指定多种阻尼，程序自动形成阻尼矩阵，但不是所有阻尼均可用于各种动力分析。动力分析类型不同，其所能够定义的阻尼类型也不同，而不同的阻尼类型在 ANSYS 中的输入命令亦不相同，因此在定义阻尼时应引起足够的重视。

在瞬态分析即时程分析中，我们选用瑞利阻尼矩阵来设计各材料的阻尼比。在反应谱分析中，我们采用材料阻尼来设置储罐各结构的阻尼比。在时域分析中，阻尼矩阵构建形式直接影响有限元模拟结果，瑞利阻尼是一种通常采用的阻尼形式。

LNG 储罐中同时存在液化天然气、不同强度混凝土以及土体等不同材料，每种材料其性质也各不相同。此时若按照统一的阻尼构建整体阻尼矩阵时是不够合理的，会造成有限元模拟结果出现偏差，因此应该根据不同材料去构建瑞利阻尼矩阵。当确定各类分析所需要的阻尼类型后，需要对其进行验证，我们采用规范下的理论计算结果为基准，分别进行反应谱分析和瞬态时程分析，最终确定两种分析路径下，阻尼参数选取后计算结果是否和理论解接近，从而确认分析思路和方法的正确性。

四、储罐规范理论解

储罐罐上部结构进行谱分析所使用的反应谱，我们根据地震信息所选选取的规范反应谱作为目标反应谱，结构的阻尼比使用全局 0.05 来设置，还有按照《GB51156-2015 液化天然气接收站工程设计规范》设置各设计分量的阻尼比。

为了对比验证模型 OBE 工况下反应谱分析的结果，我们按照规范《石油化工构筑物抗震设计规范》(SH/T31137-20040)中的反应谱进行计算,以16 万方储罐为例,16W 储罐考虑储罐在地震作用下OBE工况下的基底水平剪力最不利情况为完全叠加剪力为Q=173.1MN•m

五、储罐反应谱解及时程分析解

5.1 反应谱解

ANSYS 中的反应谱分析法是一种用于确定结构在随机载荷(如地震)作用下的最大响应的频域分析方法。谱分析需要准确地预测结构在不同频率下的响应。采用材料常值阻尼可以在一定程度上保证

这种准确性，因为它基于材料的固有属性。

满罐工况的模型比空罐模型需要多建立液体单元，在反应谱分析中，为了便于计算，我们使用HOUSNER 质量弹簧模型代替 LNG 液体。

质量单元用于表示在特定节点处存在的集中质量，通过准确模拟质量分布，可以获得更准确的系统动力学行为。将质量以集中质量的形式表示，可以减少模型中的自由度数量，从而简化分析过程，同时保持足够的精度。

各材料使用各自材料常值阻尼比(OBE 作用下)分别为内罐镍钢阻尼比 0.02、C50 混凝土 0.03,C40混凝土 0.04，反应谱阻尼设置为 0.05 的储罐模型之后，得出 16W 储罐在满罐下最大基底剪力为 FX和 FY 方向的平方和再开方，为 167.7MN。

5.2 时程分析解

此次研究选择功能最全的完全法进行分析。虽然质量弹簧模型在某些情况下可能具有更高的计算效率，但在时程分析法中，这种效率的提升可能并不显著。因为时程分析法本身就需要进行大量的逐步积分运算，而实体单元模型通常已经过优化，能够在合理的时间内提供准确的结果。采用时程分析法时，使用液体单元来建立液体，是因为在使用质量弹簧替代液体单元后，对模型进行地震波时程分析提取的基底剪力过大，不符合实际。

可能是因为在时程分析中，质量弹簧模型可能无法准确捕捉这些复杂的动力反应。例如，它可能无法充分考虑结构中的非线性因素(如材料非线性、几何非线性等)，也无法准确模拟结构中的局部效应 ( 如 应 力 集 中 、 塑 性 变 形 等 ) 。 设 置 的 瑞 丽 阻 尼 参 数 如 下 ：DPNI=0.02;DPC=0.03;DPCT=0.04;DPLNG=0.005 根据各设计分量来设置阻尼系数后，模型的基底剪力峰值为 168.2MN。

为了验证所选地震波的有效性和合理性，我们参照了《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)中的相关规定。具体而言，我们检查了每条地震波底部剪力与振型分解反应谱法计算结果的比值。结果显示，所有地震波的底部剪力均未超过振型分解反应谱法的 135% ，同时也不低于其 65%_oering 。此外，平均底部剪力的比值也符合规范要求，即不大于振型分解反应谱法的 120% ，且不小于其 80‰ 这一结论有力地证明了所选地震波的合规性和适用性。

六、结论

在反应谱分析中，一个关键步骤是设置全局阻尼比，这一步骤在激励谱分析时尤为重要。然而，全局阻尼比的设置会覆盖原先为各材料单独设置的阻尼比，这一特性导致反应谱分析在探究阻尼比对结构具体影响方面存在一定的局限性。因为全局阻尼比的统一设定，无法精确反映不同材料因自身特性而异的阻尼行为，从而可能掩盖或误导对结构动态响应特性的深入理解。

针对 16W 空罐与 16W 满罐这两种特定的工况，我们依据《GB51156-2015 液化天然气接收站工程设计规范》对阻尼参数进行了优化。与遵循《GB∕T50761-2018 石油化工钢制设备抗震设计标准》的情况相比，我们决定设定储罐整体结构的阻尼比为 0.05，而在考虑储液晃动效应时，将阻尼比设定为0.005。这一调整后的阻尼比设置方案，使得在这两种工况下的基底剪力均有所提升，但令人欣慰的是，这些提升后的数值仍然完全符合《建筑抗震设计规范》的相关要求。

通过对阻尼比的深入研究，我们进一步认识到，在储罐结构的响应分析中，如果能够为不同材料依据相关规范选取合适的阻尼比模型，将能够更准确地模拟和反映实际工程中的复杂情况。因此，在未来的模型建模工作中，无论是研究隔震措施还是非隔震状态下的结构性能，我们都将参照此次优化后的阻尼比参数进行设置，以期获得更为精确和可靠的分析结果。这样的做法不仅有助于提升结构设计的科学性和合理性，还能为液化天然气接收站等关键设施的安全运行提供更加坚实的理论支撑。

参考文献

[1] 曾燕丽. 浅析中国 LNG 应用技术发展现状及前景[J]. 中国石油和化工 标准与质量,2012, 33(16): 242.

[2] 张春龙. LNG 储罐抗震性能数值模拟[D]. 哈尔滨工程大学, 2015.

[3] 李思. 全容式 LNG 储罐的地震响应分析[D]. 天津大学, 2010.