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随着我国石油工业的快速发展和大型战略石油储备库的陆续建立,立式储罐的抗震安全问题日益得到重视。自上世纪末结构振动控制思想被引申到储罐抗震研究领域以来,减隔震技术被证明是降低储罐地震反应的有效途径,有着广阔的发展前景。由于发展时间短、涉及问题复杂,目前对基础隔震储罐地震反应还缺乏足够的认识,因此本文以我国系列浮项罐为研究对象,针对基础隔震储罐地震反应与控制的一系列问题进行了较为系统的研究。研究成果对储罐减震控制研究和我国基础隔震储罐的工程应用有十分重要的现实意义。主要研究内容和结论如下:
(1)建立了铅芯橡胶(LRB)和滑移基础隔震储罐的计算分析模型和Simulink仿真模型,系统研究了橡胶隔震储罐振动频率特点和基础隔震储罐地震响应特征。研究表明,随着隔震频率增大,基础隔震储罐自振频率(晃动振型频率、隔震振型频率、脉冲振型频率)逐渐增大。不同类型场地上LRB和滑移基础隔震储罐地震反应特点不同。隔震频率、屈服强度、屈服前后刚度比是控制LRB隔震储罐地震反应的主要动力参数。与普通橡胶(RB)隔震储罐比较,LRB隔震储罐突出的优点是支座位移较小,而两者减震效果优劣与选取隔震频率、场地类型有关。LRB最优屈服强度比F0随隔震频率和地震动强度增加而增大。隔震设计时可根据场地类型选取10倍以上屈服刚度比来限制支座位移。摩擦系数和复位频率是控制滑移基础隔震储罐地震反应主要动力参数。复位频率对残留位移有明显抑制作用。地震强度越大,LRB和滑移基础隔震储罐减震效果越好。
(2)以远场地震反应为基准,对比研究了近断层地震动作用下LRB和滑移基础隔震储罐的地震反应特点和参数影响规律。利用叠加原理得到人工合成近断层脉冲型地震动,分析了脉冲类型与参数对基础隔震储罐地震反应的影响。研究表明,近断层地震动作用下隔震储罐地震反应明显大于远场地震动相应值,脉冲效应突出。峰值速度与峰值加速度比(PGV/PGA)、脉冲周期、脉冲参与系数、脉冲类型是影响隔震储罐近场地震反应的主要因素。
(3)对LRB和滑移基础隔震储罐的双向地震反应特点与支座两水平正交方向的耦合性能进行了研究。建立了双向地震作用下LRB和滑移基础隔震储罐运动方程和Simulink仿真模型。利用提出的衡量双向耦合作用评价指标,评估了不同类型场地上双向耦合作用对隔震储罐各种地震反应的影响,并且分析了LRB与滑移摩擦支座参数对双向耦合作用的影响规律。研究发现,不同类型场地上双向耦合作用对LRB和滑移基础隔震储罐地震反应的影响程度不同。双向耦合作用不会使LRB和滑移基础隔震储罐的基底剪力、弯矩、晃动波高明显增大,而忽略支座双向耦合作用会显著低估支座位移,尤其是滑动位移和残留位移,因此计算LRB和滑移基础隔震储罐双向地震反应时必须考虑双向耦合作用的影响。比较而言,双向耦合作用对滑移隔震储罐地震反应的影响更大一些。
(4)提出了隔震储罐地震反应的主动/半主动控制方法。设计了隔震储罐的主动控制算法和基于磁流变(MR)阻尼器的半主动控制算法,并采用遗传算法优化得到权矩阵参数,建立了主动控制/MR半主动控制下隔震储罐力学模型和Simulink仿真模型。通过对5种不同控制方法工况下隔震储罐减震效果的对比研究,表明在主动控制/MR半主动控制下隔震储罐能取得理想的改进减震效果,并且当地震强度变化时减震效果很稳定。它尤其适合在Ⅳ类软土场地上使用,较好解决了Ⅳ类软土场地上RB隔震储罐支座位移较大的问题。
(5)对LRB基础、滑移基础、主动/半主动控制基础隔震储罐进行了能量分析。建立了不同类型基础隔震储罐的能量反应方程和Simulink仿真模型,分析了不同基础隔震储罐的能量时程变化特点。研究了LRB和滑移基础隔震储罐的地震总输入能量和耗能变化特点,探讨了支座参数、场地类型、地震强度等因素对地震输入能量及其分配规律的影响。