CN116398578A - 一种基于调谐原理提升隔震储液罐减震性能的装置和方法 - Google Patents

一种基于调谐原理提升隔震储液罐减震性能的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及减震控制技术领域，特别涉及一种基于调谐原理提升隔震储液罐减震性能的装置和方法，包括隔震储液罐，所述隔震储液罐的顶部设置圆环柱状体，所述圆环柱状体通过钢索吊装在隔震储液罐的顶部，所述圆环柱状体的周边通过弹簧阻尼器和隔震储液罐的壁板相连。本发明结合储液罐自身及储存液体的特点，在储液罐的顶部设计了可以摆动的装置，可在该装置中填充液体，地震作用下，摆动体系有相反运动的趋势，同时里面所填充的液体可利用调谐原理减震，吊装的整个体系也可以发挥调谐质量减震的作用，而且能够抑制地震作用下隔震储液罐液体上表面强烈的晃动，从而有效减小储液罐的地震响应，提升储液罐的抗震能力。

Description

一种基于调谐原理提升隔震储液罐减震性能的装置和方法
技术领域
本发明涉及减震控制技术领域，特别涉及一种基于调谐原理提升隔震储液罐减震性能的装置和方法。
背景技术
在石油化工行业中应用非常广泛的储液罐属于典型的薄壁结构，以往地震中的破坏案例不胜枚举，储液罐的地震破坏不仅会影响多个行业的正常运行，而且会引发爆炸、火灾及环境污染等次生灾害，更甚至直接威胁周围居民的生命财产安全，造成灾难性后果。为了减小储液罐在地震作用下的破坏概率，提升储液罐的抗震能力，有以下几个问题亟待解决：
(1)目前针对地震作用下储液罐的减震控制主要通过隔震来进行，但是已有研究表明橡胶隔震对于储液罐地震响应的控制存在一些缺陷，如其对液体晃动波高的控制效果一般，甚至会产生放大效应，此外，在近场脉冲和远场长周期地震作用下，隔震层位移需求较大，在这些特殊地震作用下隔震层位移往往过大，一旦隔震层位移超越预留的隔震沟宽度将导致碰撞的发生，严重影响隔震的有效性。
(2)为了解决隔震储液罐的缺陷，特别是橡胶隔震对于液体晃动波高控制效果一般的问题，有必要进一步开展相关的阻尼器减震研究，通过隔震和减震的结合，实现对于储液罐自身地震响应和液体晃动波高的有效控制。
(3)由于成本及设计等问题，隔震在储液罐中的应用非常欠缺，将隔震和减震进行结合应用更是非常少见，因此有必要结合储液罐的特征，设计简易、经济、可靠的新型减震装置，从而推动减隔震技术在重要设施储液罐中的应用。
发明内容
本发明的目的在于针对背景技术中提出的问题，提供一种基于调谐原理提升隔震储液罐减震性能的装置和方法，可进一步减小隔震储液罐的地震响应，提升隔震储液罐的减震性能，确保储液罐的地震安全性。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种基于调谐原理提升隔震储液罐减震性能的装置，其特征在于：包括隔震储液罐1，所述隔震储液罐1的顶部设置圆环柱状体2，所述圆环柱状体2通过钢索3吊装在隔震储液罐1的顶部，所述圆环柱状体2的周边通过弹簧阻尼器4和隔震储液罐1的壁板相连。
优选的，所述圆环柱状体2在使用过程中填充液体。
优选的，所述圆环柱状体2底板的上下侧加设伸臂6。
优选地，所述隔震储液罐1的顶部采用曲梁7进行加固。
优选地，所述圆环柱状体2与隔震储液罐1壁板之间的距离≥500mm。
优选的，所述圆环柱状体2的底板上开设孔洞5。
优选的，所述圆环柱状体2的上表面预留有第一连接件8，所述曲梁7的下表面预留有第二连接件9。
优选的，所述第一连接件8与第二连接件9之间连接有钢索3。
一种基于调谐原理提升隔震储液罐减震性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：在隔震储液罐的顶部基于调谐原理设计圆环柱状体，正常使用过程中圆环柱状体内盛有液体，地震作用下通过液体在柱状体中的晃动可以减小地震作用；
步骤二：为了保证地震作用下圆环柱状体摆动所需的空间，圆环柱状体和隔震储液罐壁板之间的距离≥500mm；
步骤三：为了实现隔震储液罐和圆环柱状体之间液体的流通，在圆环柱状体的底面设置孔洞；
步骤四：在圆环柱状体上表面预留有第一连接件；
步骤五：由于吊装的圆环柱状体质量较大，因此对于储液罐的顶盖使用曲线钢梁进行加固，从而提升顶盖的承载力，确保顶盖安全性，并且在曲线钢梁上预留有第二连接件；
步骤六：通过钢索和预留的连接件连接，将圆环柱状体吊装在储液罐的顶部形成基于调谐原理的新型减震装置，地震作用下，由于采用的钢索属于柔性构件，因此吊装部分可以在各个方向产生自由的摆动，可以应对地震作用方向的随机性问题，减小隔震储液罐的地震响应以及隔震层位移，提升隔震储液罐的减震性能；
步骤七：在圆环柱状体和隔震储液罐壁板之间安装弹簧阻尼器，一方面可以防止圆环柱状体摆动过程中对于隔震储液罐壁板的撞击，另一方面可以利用弹簧阻尼器的变形进一步消耗地震能量；
步骤八：在圆环柱状体底板的上下侧设置伸臂，增大圆环柱状体在摆动过程中的阻力，进一步提升耗能能力。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
1、本发明公开的基于调谐原理提升隔震储液罐减震性能的新装置和方法，结合储液罐自身及储存液体的特点，在储液罐的顶部设计了可以摆动的装置，可在该装置中填充液体，地震作用下，摆动体系有相反运动的趋势，同时里面所填充的液体可利用调谐原理减震，吊装的整个体系也可以发挥调谐质量减震的作用，而且能够抑制地震作用下隔震储液罐液体上表面强烈的晃动，一举多得，从而有效减小储液罐的地震响应，提升储液罐的抗震能力。
2、特殊地震作用下传统隔震储液罐存在减震效果一般、隔震层水平位移超限和晃动波高过大等问题，使得隔震储液罐发生地震破坏的概率仍然较大，在传统隔震储液罐中引入该新装置和方法后，可以解决以上问题，从而提升传统隔震储液罐减震性能。
3、本发明中的隔震储液罐减震性能提升新装置和方法具有易于实施、减震机理明确、经济可靠及减震效果显著等优点，能够产生显著的经济、社会和环境效益，在国家能源战略中将发挥重要的作用。
4、当隔震储液罐中的液位低于圆环柱状体时，地震作用下悬吊的圆环柱状体可以通过摆动发挥调谐质量阻尼器的作用，仍然可以减小储液罐的地震响应和隔震层的位移需求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中圆环柱状体的结构示意图；
图3为本发明中圆环柱状体底面开孔布置图；
图4为本发明中隔震储液罐顶盖的加固曲梁图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种基于调谐原理提升隔震储液罐减震性能的装置，如图1、图2所示，包括隔震储液罐1，所述隔震储液罐1的顶部设置圆环柱状体2，所述圆环柱状体2通过钢索3吊装在隔震储液罐1的顶部，所述圆环柱状体2的周边通过弹簧阻尼器4和隔震储液罐1的壁板相连。所述圆环柱状体2在使用过程中填充液体。所述圆环柱状体2底板的上下侧加设伸臂6。所述圆环柱状体2与隔震储液罐1壁板之间的距离≥500mm。
如图4所示，所述隔震储液罐1的顶部采用曲梁7进行加固。
如图3所示，所述圆环柱状体2的底板上开设孔洞5。
所述圆环柱状体2的上表面预留有第一连接件8，所述曲梁7的下表面预留有第二连接件9。所述第一连接件8与第二连接件9之间连接有钢索3。
实施例2
一种基于调谐原理提升隔震储液罐减震性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：基于调谐原理设计圆环柱状体，地震作用下圆环柱状体所盛液体可以晃动，从而减小地震作用；
圆环柱状体中液体的总长度可由式(1)计算得到：
Figure BDA0004080146770000051
式中：l为圆环柱状体中液体的总长度，包括水平向的尺寸和两则柱状体中填充的液体高度；g为重力加速度；ωc为圆环柱状体中液体的晃动圆频率。
根据调谐减震机理，圆环柱状体中液体的晃动圆频率ωc应该近似等于隔震储液罐的液-固耦合振动频率ωi，即：
ωc≈ωi(2)
在隔震储液罐中布置新型装置后，系统的动力方程为：
Figure BDA0004080146770000052
式中：M、C和K分别为系统的质量、阻尼和刚度矩阵；U(t)、
Figure BDA0004080146770000061
和/>
Figure BDA0004080146770000062
位移、速度和加速度；I为地震作用影响向量；/>
Figure BDA0004080146770000063
为地震加速度；FP为新型装置施加在储液罐上的控制力。
步骤二：为了保证地震作用下圆环柱状体摆动所需的空间，圆环柱状体和储液罐壁板之间的距离≥500mm；
步骤三：为了实现隔震储液罐和圆环柱状体之间液体的流通，在圆环柱状体的底面设置孔洞；
步骤四：在圆环柱状体上表面预留连接件；
步骤五：由于吊装的圆环柱状体质量较大，因此对于储液罐的顶盖使用曲线钢梁进行加固，从而确保顶盖的安全性，并且在曲线钢梁上预留连接件；
步骤六：通过钢索和预留的连接件，将圆环柱状体吊装在储液罐的顶部形成基于调谐原理的新型减震装置，地震作用下，由于采用的钢索属于柔性构件，因此吊装部分会在各个方向产生自由的摆动，可以应对地震方向性的随机问题，减小隔震储液罐的地震响应以及隔震层位移，提升隔震储液罐的减震性能；
步骤七：在圆环柱状体和储液罐壁板之间安装弹簧阻尼器，一方面可以防止圆环柱状体摆动过程中对于储液罐壁板的撞击，另一方面可以利用弹簧阻尼器的变形进一步消耗地震能量；
弹簧阻尼器的刚度和阻尼方程式分别为式(4)和式(5)：
Figure BDA0004080146770000064
C＝2ζrγrω1m (5)
式中ω1为悬吊圆环柱状体的圆频率。
频率比γr和阻尼比ζr可表示为式(6)和式(7)：
Figure BDA0004080146770000071
Figure BDA0004080146770000072
式中μ为质量比，μ＝m/m1，m为圆环柱状体的质量(包括盛装的液体)，m1为储液罐的质量。
步骤八：在圆环柱状体底板的上下侧设置伸臂，增大圆环柱状体在摆动过程中的阻力，进一步提升耗能能力。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于调谐原理提升隔震储液罐减震性能的装置，其特征在于：包括隔震储液罐(1)，所述隔震储液罐(1)的顶部设置圆环柱状体(2)，所述圆环柱状体(2)通过钢索(3)吊装在隔震储液罐(1)的顶部，所述圆环柱状体(2)的周边通过弹簧阻尼器(4)和隔震储液罐(1)的壁板相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于调谐原理提升隔震储液罐减震性能的装置，其特征在于：所述圆环柱状体(2)在使用过程中填充液体。
3.根据权利要求2所述的一种基于调谐原理提升隔震储液罐减震性能的装置，其特征在于：所述圆环柱状体(2)底板的上下侧加设伸臂(6)。
4.根据权利要求3所述的一种基于调谐原理提升隔震储液罐减震性能的装置，其特征在于：所述隔震储液罐(1)的顶部采用曲梁(7)进行加固。
5.根据权利要求4所述的一种基于调谐原理提升隔震储液罐减震性能的装置，其特征在于：所述圆环柱状体(2)与隔震储液罐(1)壁板之间的距离≥500mm。
6.根据权利要求5所述的一种基于调谐原理提升隔震储液罐减震性能的装置，其特征在于：所述圆环柱状体(2)的底板上开设孔洞(5)。
7.根据权利要求6所述的一种基于调谐原理提升隔震储液罐减震性能的装置，其特征在于：所述圆环柱状体(2)的上表面预留有第一连接件(8)，所述曲梁(7)的下表面预留有第二连接件(9)。
8.根据权利要求7所述的一种基于调谐原理提升隔震储液罐减震性能的装置，其特征在于：所述第一连接件(8)与第二连接件(9)之间连接有钢索(3)。
9.一种基于调谐原理提升隔震储液罐减震性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：在隔震储液罐的顶部基于调谐原理设计圆环柱状体，正常使用过程中圆环柱状体内盛有液体，地震作用下通过液体在柱状体中的晃动可以减小地震作用；
步骤二：为了保证地震作用下圆环柱状体摆动所需的空间，圆环柱状体和隔震储液罐壁板之间的距离≥500mm；
步骤三：为了实现隔震储液罐和圆环柱状体之间液体的流通，在圆环柱状体的底面设置孔洞；
步骤四：在圆环柱状体上表面预留有第一连接件；
步骤五：由于吊装的圆环柱状体质量较大，因此对于储液罐的顶盖使用曲线钢梁进行加固，从而提升顶盖的承载力，确保顶盖安全性，并且在曲线钢梁上预留有第二连接件；
步骤六：通过钢索和预留的连接件连接，将圆环柱状体吊装在储液罐的顶部形成基于调谐原理的新型减震装置，地震作用下，由于采用的钢索属于柔性构件，因此吊装部分可以在各个方向产生自由的摆动，可以应对地震作用方向的随机性问题，减小隔震储液罐的地震响应以及隔震层位移，提升隔震储液罐的减震性能；
步骤七：在圆环柱状体和隔震储液罐壁板之间安装弹簧阻尼器，一方面可以防止圆环柱状体摆动过程中对于隔震储液罐壁板的撞击，另一方面可以利用弹簧阻尼器的变形进一步消耗地震能量；
步骤八：在圆环柱状体底板的上下侧设置伸臂，增大圆环柱状体在摆动过程中的阻力，进一步提升耗能能力。
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