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化學品。

為了避免火災，爆炸，環境污染或災難等不利后果，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地面的一部分做出響應，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。

當儲罐裝滿液體時，所含下部液體（Wi）就像與儲罐壁剛性連接在一起（耦連）。

當這個質量加速時，它對罐壁施加一個水平力，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。

儲罐內上部液體（Wc）充當固體振蕩質量，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），在罐壁上施加一個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”（Sloshing）作用，液體一側上升到靜態液面之上，一側則下降到靜態液面之下。

上面的流程只對于剛性基礎上的剛性儲罐有效-剛性罐的罐壁與地面同步移動。

柔性罐的運動則不同，柔性影響流體動力學效應，并可能顯著增加影響地震特性。

下圖為儲罐抗震的數學模型：

液體的晃動對儲罐的響應有顯著影響。

考慮液體晃動時，自由液體表面的動水壓力分布、力矩和固有頻率的估計是主要問題。

為了模擬晃動部分，研究人員使用了各種機械模型，例如質量彈簧阻尼器或擺系統。

在過去的幾十年里，晃動效應一直在研究之中。這些研究中考慮了許多重要現象，例如晃動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

當未錨固的罐體暴露于強烈的地面震動時，會有傾覆力矩，產生流體動力壓力，并且罐體一側會被抬起，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，可能導致罐壁破壞，輸入、輸出管道破裂，局部連接處應力超標或使基礎不對稱。

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力引起的，在罐壁中間段產生的彈性屈曲（菱形壁）。

如下圖所示：

B) 由罐壁的軸向壓縮應力引起的，在儲罐底部產生的彈塑性屈曲（象足）。

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

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力非常大，儲罐更容易發生屈曲。

為防止彈性和彈塑性屈曲損壞，應防止罐壁中產生的壓縮應力（垂直地震力和提離）和罐壁中周向應力的過度增加。

地震危害之3：不對稱沉降和滑移

地震時罐底與基礎碰撞產生的動態力，導致罐內會發生沉降。

沉降的限制值可以參考GB 50341-2014，附錄E.4.5條。

地震在儲罐底部產生的剪力可能會克服儲罐底部與地基之間的摩擦力而導致儲罐滑移。

為了控制儲罐滑移，將基礎視為驅動力，將儲罐底部與床層的摩擦力視為平衡力。根據ASCE的建議，防止滑移所需的最小安全系數為1.5。

為計算抗滑移的平衡力，API建議罐底與地基之間的摩擦系數不大于 0.4。

這種損壞在直徑小于9米的儲罐中發生較多。

地震危害之4：損壞儲罐基礎

很多時候，儲罐位于不適合建造儲罐的區域。在未錨固或未全完錨固且有堅實基礎的儲罐中，罐壁與底板的大角焊縫很大概率會出現故障。

地震加速度會導致儲罐提升。

有時，罐體傾倒會導致罐體基礎受到侵蝕；

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、邊坡不穩定或過度沉降造成的。

可以在儲罐下方使用加強的基礎來防止這種破壞。

在柔性基礎上制造的儲罐比在剛性基礎上實施更合適。因為軟基礎會導致罐體振動周期加長。

地震危害之5：傾覆

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

隨著罐體高徑比的增大，質心與底部之間的距離增加，從而傾覆力矩增大，穩定性降低。

API 650規范中的附錄 E ，基于錨固比J進行控制。

如果錨固比J大于 1.54，則儲罐將不穩定并會產生傾覆，此時必須要設置錨固。

地震危害之6：罐頂部破壞

儲罐及儲液由于地震力而振動，儲罐內儲液表面產生波浪。

當頻率遠低于罐壁的頻率時，儲液就會發生振動，儲液的振動幅度受地震頻率的影響。

如果儲液晃動波高的自由距離不夠，就會損壞結構。

下圖為晃動波產生的破壞。

為控制液體（晃動）和罐頂損壞，可增加液體自由高度（Freeboard），或加固儲罐頂板。

根據 API 650規范，對自由高度有所要求，最低不低于0.7倍的晃動波高。

按照GB50341設計的儲罐，自由高度應不低于晃動波高。

有時由于罐壁與罐底的連接失效，或與罐連接的管道失效，導致罐內液體很快耗盡；

結果，液體快速排放產生了部分真空，導致罐頂和罐殼的上部失穩破壞。