爆破开挖振动下既有大型储油罐的动力响应.doc

爆破开挖振动下既有大型储油罐的动力响应 陈洋 吴亮 许锋 鲁帅 中铁港航-武汉科技大学爆破技术研究中心 武汉科技大学理学院 摘 要： 针对既有大型储油罐近区基础爆破开挖中的安全问题, 采用 ANSYA/LS-DYNA 的隐式—显式顺序求解方法, 结合流固耦合算法, 研究了爆破振动下大型储油罐的动力响应规律分析了罐壁不同位置的质点振速, 由于质点振速分布情况较为复杂, 不宜用局部质点振速判断罐壁危险点;总结了罐壁上应力分布规律, 结果显示爆破振动对储油罐的影响主要集中在迎爆侧下部, 且罐壁迎爆侧高度为3 m 左右的位置最易发生象足屈曲;分析了不同频率爆破振动作用下满载储罐罐壁质点振速, 结果表明在爆破振动主频范围内, 载荷频率远大于储罐固有频率条件下, 罐壁上质点振速随着爆破振动频率的降低呈减小趋势;建立了储油罐罐壁质点振速与罐内液面高度的关系, 结果表明降低液面高度的措施可以有效提高储油罐的爆破振动安全阈值, 爆破施工过程中邻近储罐储液高度不宜高于 10 m关键词： 隐式— 显式; 流固耦合; 爆破; 大型储油罐; 动力响应; 作者简介：陈洋 (1994—) , 男, 硕士研究生, chenyangwust@作者简介：吴亮 (1980—) , 男, 博士, 副教授, wuliangwust@基金：国家自然科学基金项目 (编号:51004079) ;国家自然科学基金项目 (编号:51479147) ;国家自然科学基金项目 (编号:11602178) Dynamic Response of Existing Large Oil Storage Tank Under Blasting Excavation VibrationCHEN Yang WU Liang XU Feng LU Shuai Blasting Technology Research Center CRPCE-WUST; Abstract： Aiming at the safety problem of existing large oil tank under near base excavation blasting, based on the implicit-to-explicit sequential solution procedure and the fluid solid coupling algorithm of ANSYA/LS-DYNA, dynamic response of large oil tank is analyzed by numerical simulation method. Particle vibration velocity at different positions is analyzed, because the particle vibration velocity distribution is complex, it is not appropriate to judge the dangerous point of the tank wall with local particle vibration velocity; Dynamic stress distribution on the tank wall is summarized, results show that the influence of blasting vibration on the oil tank is mainly concentrated in the lower part of the explosion side, and the elephant foot bulging deformation is most likely produced at the height of 3 meters on detonation side of tank wall; The particle vibration velocity in the tank wall under different frequency blasting vibration is analyzed, the results show that in the main frequency range of blasting vibration, the particle vibration velocity on the tank wall decreases with the decrease of blasting vibration frequency if the load frequency is much larger than the natural frequency of the tank; The relationship between the particle vibration velocity and the liquid level in the tank is established, the results show that the measures of lowering the height of liquid level can effectively improve the safety threshold of blasting vibration of the oil tank, and the storage liquid height of adjacent storage tanks should not be higher than 10 m.Keyword： implicit-to-explicit; fluid solid coupling; blasting; large oil storage tank; dynamic response; 战略石油储备是许多国家保障能源安全的方法之一, 大型石油储备基地的建设已成为我国能源安全体系的重要一环。

大型立式钢制浮顶储油罐是储油基地广泛采用的储油容器, 由于规模庞大, 存放易燃易爆有害液体, 一旦发生破坏, 后果不堪设想为确保这一生命线工程的安全, 对储罐的应力分析、动力性能、破坏机理等方面的研究工作是非常必要的在储油罐应力分析方面, 陈志平[1]等结合长、短圆柱壳法的优点, 提出了更精确的组合圆柱壳法张云峰[2]等建立了储油罐三维地震响应的力学计算模型, 并进行了储油罐三维地震响应的数值分析, 发现竖向地震分量引起的水平加速度和基底剪力在总加速度和总基底剪力中占有较大比重, 在储罐抗震设计中必须考虑竖向地震的作用孙建刚[3]等的储罐三维地震反应振动台模型实验也证实了立式浮放储罐抗震设计中需要考虑三维地震作用另外, 孙建刚等在储油罐的隔震方面做了较系统的研究, 建立了考虑摆动效应的立式储罐隔震分析简化力学模型, 并将数值计算的结果与无摆动效应隔震模型的计算结果比较分析, 结果表明, 基底隔震装置能有效降低大型储罐的基底剪力, 但对液面晃动波高的影响不大在储油基地建设过程中, 由于地形原因, 某些储罐依山而建, 后续扩建工程的基础需要爆破开挖, 王开志等[6]根据现场环境, 设计了某部储油罐基础的爆破开挖方案, 优化了布孔方式和炮孔参数, 并成功实施了爆破, 为同类爆破工程提供了参考。

但是, 爆破施工势必会对既有储罐造成一定影响, 而关于建设过程中爆破开挖扰动对既有储罐影响的研究尚未见报道鉴于此, 本文以国家某石油储备基地扩建项目中的实际问题为背景, 基于 ANSYS/LS-DYNA 的隐式—显式顺序求解技术, 结合流固耦合算法, 采用数值模拟方法研究爆破振动下大型储油罐的动力响应, 分析动应力在结构体中的传播与分布规律, 研究储油罐结构的响应及其稳定性, 为库区爆破开挖的安全性评估提供参考依据1 基于 ANSYS/LS-DYNA 的隐式—显式顺序求解方法在许多工程中, 结构的初始应力对结构动力响应的影响是不能忽略的诸如带有初始压力的压力容器、高地应力条件下的开挖、螺栓连接动力响应等工程领域, 在进行动力响应分析的同时, 有必要考虑结构初始应力的影响大型储油罐的动力响应也属于此类问题, 在进行数值模拟时, 重力影响是不可忽略的LS-DYNA 作为国际上最著名的显式动力分析程序, 用来分析爆炸与冲击、结构碰撞、金属加工成型等高度非线性的瞬态动力学问题是非常有效的在处理静态问题, 诸如结构的自重、初始应力时, LS-DYNA 显式求解器可以通过添加人工阻尼, 运用动力松弛的方式施加载荷, 运用显式求解器近似求解静态或准静态问题。

但是这样处理得到的结果无论是精度还是效果, 都不如隐式求解器计算的结果ANSYS 的隐式方法在处理静态问题尤其是线性问题时, 有极大的优势因此, 结合隐式与显式求解器的优点, 运用隐式—显式顺序求解方法分析结构在初始载荷作用下的动力响应问题是比较理想的即, 在进行显式动力分析之前, 用隐式求解器对结构的预载进行分析, 随后以预载的结果为初始状态进行动力响应的显式分析基于 ANSYS/LS-DYNA 隐式—显式顺序求解方法分析储油罐爆破振动响应的基本思路如图 1:图 1 隐式—显式顺序分析流程图 Fig.1 Flow chart of implicit-to-explicit sequential solution procedure 下载原图图 2 载荷等效示意图 Fig.2 Schematic diagram of equivalent load 下载原图2 爆破载荷的等效处理根据文献[7], 计算中可以将爆破荷载做适当简化, 其中一种简化方式是将爆破荷载均匀分布在同排炮孔连心线所在竖直面上如图 2 (a) 所示, 半径为 r0的炮孔壁上压力为 P0, 孔间距为 L, 则可以将载荷等效施加在如图 2 (b) 所示的炮孔连心线上。

等效压力为:其中 P0可以根据 C-J 爆轰条件和爆腔膨胀理论确定这种简化方式可以从圣维南原理得到合理的解释, 因此工程中合理运用此方法是可以接受的3 工程实例的数值模拟3.1 工程概况国家某石油储备基地已有 50 座 10×10m 的储油罐, 依山而建其扩建项目建设规模为 300×10m, 拟建 10×10m 钢制单盘式外浮顶储罐 30 座其中两座拟建设储罐的地基需要爆破开挖为研究爆破振动对既有储罐的影响, 取出相邻的油罐及其地基进行有限元分析, 罐体详细设计参数见表 1、2表 1 外形尺寸 Table 1 Dimensions 下载原表 图 3 储油罐模型示意图 Fig.3 Schematic diagram of oil storage tank model 下载原图表 2 罐壁详细参数 Table 2 Detailed parameters of tank wall 下载原表 如图 3 所示, 在地基边缘爆破, 柱状装药长度为 6 m, 孔径 50 mm, 药径 30 mm, 孔距 1 m, 爆破位置距罐壁 20 m在此距离下, 研究爆破振动对储油罐的影响, 可以忽略爆破载荷的分布情况[7], 从而运用上述简化方式, 将爆破载荷简化成作用在同排炮孔连心线所处的一块 10 m×6 m 竖直面上的均布载荷。

压力峰值约 5 MPa, 采用正弦波波形进行分析, 作用 3 个周期3.2 有限元模型建立及材料模型3.2.1 单元类型运用 LS-DYNA 进行显式动力学分析时, 流体拟采用 ALE 算法, 固体拟采用Lagrange 算法Solid164 单元是用于显式动力分析的 8 节点三维实体单元, 在使用上没有特殊限制, 既可用 Lagrange 网格, 也可用 ALE 网格, 故地基、罐内液体和空气采用 solid164 单元。