儲罐抗震研究現狀

氣柜是儲罐的一種形式，是調和產氣與用氣之間若干矛盾必不可少的設備，也是煤氣輸送管網中調節峰值的設備，在鋼鐵等行業的生產過程中有著極為重要的作用[33-34]。

一旦氣柜發生結構變形就會影響正常工作。由于設計不當，氣柜倒塌現象時有發生，這會造成煤氣的泄漏，其后果非常嚴重，不僅影響正常的生產工作，散發出去的有毒氣體還易造成二次災害。因此氣柜的設計、施工都有很高的要求。由于這種結構的設計方案是從日本引進的，國內工程設計人員經驗不足，通過放大安全系數和截面尺寸來設計，造成了鋼材和人力的浪費。雖然近年來干式氣柜在我國大量建造，研究工作也取得了一些進展，然而在抗震方面的研究還遠落后于工程實踐的需要。隨著計算機水平的飛速發展和社會發展需要，為人們對氣柜結構抗震規律的認識提供了有利的客觀條件。 顧強、陳紹番等對寶鋼 15 萬 m3可隆型干式煤氣柜進行了現場實測和振動臺模型的試驗，然后編制程序對寶鋼 8 萬 m3威金斯型煤氣柜和 15 萬 m3可隆型煤氣柜進行了抗震分析[39-40]。童根樹、許鈞陶對正多邊形干式煤氣貯柜的自振特性和地震響應進行了分析，發現 MAN 型氣柜結構的地震響是以第一振型為主，并且給出了基本周期的計算公式[41]。

馬明娟運用 ANSYS 有限元軟件對威金斯氣柜在水平和豎向地震波激勵下的進行分析，得出氣柜的豎向位移較大。此后，又對氣柜進行罕遇地震作用下的分析，得出氣柜筒體的變形較小，等效應力也沒有超過鋼材的屈服應力，從而證明了威金斯儲氣柜筒體的抗震性能良好[47]。賈冬云利用大型有限元軟件 ABAQUS 對正多邊形氣柜進行抗震析，首先考慮活塞的實際構造及運行特點，提出了把活塞取為 SMD  的氣柜抗震分析方法。然后根據氣柜中活塞的實際運動過程，提出將活塞做為以懸浮質量塊阻尼器（SMD），從而建立氣柜的  SMD  計算模型，并由此推導了活塞結構剛度系數的計算公式。最后通過研究分析，得出活塞對筒體抗震性能具有一定影響，并提出了設計的理論和方法[48]。王凌西通過對干式煤氣柜進行動力特性分析，得出氣柜的自振周期隨活塞上升而延長，從低位時 0.438s 延長至高位的 0.801s[51]。焦紅偉運用大型有限元軟件建立了煤氣柜的有限元模型，分析了考慮活塞運動的動力特性，總結出了煤氣柜的頻率和振型分布情況；采用 SRSS 法、CQC 法和虛擬激勵法研究了模態交叉項、參振模態數量對煤氣柜響應的影響[52]。 

因為涉及知識產權的保護，以及氣柜抗震性能研究較少，所能查到的抗震設計理論和方法的文獻不多。鑒于氣柜與儲罐的結構形式和受力特性等基本一致，所以相關儲罐結構的抗震研究現狀也有助于啟發氣柜的抗震研究。 Edwards 采用有限元法在計算機上首次對儲液罐-流體藕合系統的地震反應進行了模擬，得出一些有益結論[35]。Veletsos 對柔性儲液罐在水平地震激勵下的脈沖壓力進行分析，得出相應的簡化計算方法—假定模態法以及在相同地震激勵下, 剛性罐比柔性儲液罐的反應小很多的結論[36]。Clough 等首次對無錨固罐的地震響應進行了實驗研究，并且得出：地基性質對儲罐底板的區域和提離大小有一定的影響；非線性的提離機理控制儲罐的動力響應[
37]。Y.Q.Li 對臥式半圓柱殼體進行了剛性模型測壓實驗，得到動力時程數據，并進行了動態時程分析[38]。周利劍通過研究立式鋼制儲罐在指定烈度下基于損傷性能的抗震設計方法,提出了能與現行抗震設計規范相銜接的立式鋼制儲罐的地震損傷性能目標；

一種抗提離效應的抗震設計方法；立式鋼制儲罐基于損傷性能的抗震設計準則[42]。張云峰、周利劍應用 ANSYS 軟件對 1000 m3和 10000 m3儲罐進行動力反應譜分析，并與規范對比，得出 ANSYS 有限元計算結果比規范計算結果略小，說明了規范的計算方法偏于保守，可適當放寬[43]。周利劍、孫建剛、張云峰通過對立式儲罐在指定烈度下基于損傷性能的抗震設計方法的研究以及對磚混結構和鋼筋混凝土框架結構等對應于不同震害等級的損傷指數范圍的總結,給出了儲罐在各種震害等級中對應的損傷指數[44]。沈建民對油罐在水平位移激勵下的響應進行分析,  得出在地震激勵下,罐壁反應較大,最大罐壁加速度是輸入的最大加速度的幾十倍,動力放大效應十分明顯[45]。劉勇通過假定罐底和罐壁的運動模式,用虛功原理計算水平及豎向地震作用，得到廣義坐標的藕合運動方程,再用實例對儲罐在三種典型地震波作用下的地震響應進行了詳細的分析，得出一些有益結論[46]。

陳海陽利用大型有限元分析軟件 ADINA，通過考慮地基與儲罐相互作用和液體與儲罐之間的耦合問題的情況下，建立數值模型，分析其在地震作用下的動力響應。得出液體晃動對儲罐各項地震響應均有顯著影響等有益結論[49]。黃兢應用大型有限元軟件 ADINA對 LNG  儲罐進行地震響應分析，得出水平向次要地震波對結構基本沒有影響，只需考慮主要的地震波方向；豎向地震波對軟弱場地的影響極其明顯，豎向地震波和液面高度對儲罐加速度峰值影響較大[50]。 

1.2.3 結構優化研究 
結構的優化設計是在給定的約束條件下，按照某種目標（如成本最低、剛度最大、重量最輕等）求出最優的設計方案。結構的優化設計是近幾十年方興未艾的新科學，它將結構選型和結構優化相結合，在優化方法中引進仿生學方法和自然生態理念，通過優化結構形式。結構形狀尺寸來充分發揮材料的力學性能、降低結構成本，實現建筑結構
從構件截面到結構形狀、拓撲、布局和選型的優化，追求建筑結構美觀大方、簡潔實用、安全可靠且經濟低耗的綜合設計目標，從而達到現代建筑結構設計“好”與“省”的和諧統一。結構的優化設計從馬克斯威爾理論和米歇爾桁架出現已有一百多年了。上個世紀 50 年代，Schmit 通過數學規劃的方法解決結構優化的問題。在近 30 年，結構優化在理論、算法和應用發面都有很大的發展。這些方法大部分都是關于連續變量優化設計的，只有很少的一部分是關于離散變量優化設計的。但實際工程中的鋼構件的截面尺寸都是不連續的離散變量。因此，研究離散變量結構的優化設計理論和方法及其應用具有重要的理論和工程價值。 離散變量優化設計問題實質上是組合最優化設計問題，即從所有可能的組合中尋求最優解。其設計方法可歸納為三大類： 
（1）近似算法。這種算法求得的是近似的最優解，但這種算法能設置一固定值來保證近似最優解與精確最優解的相對誤差在某一合適的范圍內。由于確定相對誤差界限較難，因此，僅有極少的一些問題運用此法。 
（2）精確算法。這種算法可求得問題的全局最優解，但這種算法一般指的是數型算法，如：枚舉法、Gomory 的割平面法[53]、Dakin 的改進的分支定界法[54]、定界組合法、動態規劃法[55]等。計算效率是這類算法的評價標準。 
（3）啟發式算法。這種算法是在允許的時間內求得一個近似最優解。其適用于無法估計計算誤差的情況。啟發式算法計算工作量小，能計算大規模問題，因此這種算法應用較廣。如：柴山、孫煥純等提出的相對差商法[56]；仿真學方法-模擬退火法、神經網絡法和遺傳算法等。 

目前，國內外對離散變量結構優化設計的相關研究方面，主要有以下的一些成果： Schmit 和 Kicher 對三桿桁架的形狀采用枚舉法進行了優化[57]。Lipson 和 Gwin 對多工況下的桁架結構的形狀采用復形法進行了優化[58]。Robert Levy 等先對預應力網架結構深入的理論分析，在此基礎上對其進行合理的優化設計，最后又進行了實驗研究，得出一些有益結論[59]。尹思明等對拉索預應力球殼進行了研究，總結了結構選型、計算方法、構造要求、受力特點以及施工等多方面的問題[60]。柴山、孫煥純提出了相對差商法,運用這種方法能求解一類(0,1)規劃問題。其優點是對任意規模的問題可迅速求解,并且還給出了該算法的誤差估計及解的修正算法[61]。石連拴、孫煥純、柴山提出了兩類變量綜合處理的結構形狀優化設計方法，并且運用這種算法對幾個經典的結構進行優化設計,結果顯示了該方法能得到較好的優化結果[62]。王光遠、呂大剛提出了基于最優設防烈度和損傷性能的優化設計概念,并且利用數學模型,分析了優化模型的求解策略和特點。最后通過對一個算例的詳細計算，很好的介紹了此方法的運用[
63]。

鄧華、董石麟本文通過建立目標函數,和設計變量對拉索預應力空間網格結構進行優化設計。并且建立結構優化設計的數學模型。提出了二級優化算法。最后用算例證明了這種算法有較好的收斂性和計算效率[64]。熊偉采用結構離散法,以形狀優化為主，并且引入 CAD 輔助設計對張弦桁架進行了優化設計[65]。程耿東、許林提出了多目標函數的優化方法，并且通過算例證實算法的有較好的優化效果[66] 。孫賢斌等人用混合遺傳算法進行結構的優化設計，結果表明，改進后的混合遺傳算法具有很好的收斂性[67]。張愛林、楊海軍通過將設計變量分為兩個子空間的方法對預應力索-桁架結構形狀進行優化設計，并且用算例表明,該方法能使結構剛度不減的前提下，結構重量逐步減輕,形狀逐步達到最優的效果[68]。卜國雄等人提出了在隨機地震的作用下,基于能量法的 TMD 參數優化設計方法[69]。劉釗基于能量法，以極小化系梁和拱肋的應變能為目標，研究了系桿拱橋吊桿合理內力的確定方法[70]。王偉、趙美英等人使用 PCL 實現了 Patran 環境下機翼的參數化模型。在 Matlab 環境下,編寫了優化程序,對整個機翼的布局進行了優化設計。最后得出將神經網絡功能和參數化建模結合進行優化,能更好地發揮神經網絡的映射功能,使優化結果更加有效[71]。