储罐地震危害
储罐地震基本概念
储罐在炼油厂、化工厂非常常见，它储存着大量的石油，原油等易燃易爆危险化学品。
为了避免火灾，爆炸，环境污染或灾难等不利后果，我们非常必要深入了解它们的地震行为。
储罐可以刚性或柔性的附着在地面上。
如果储罐为刚体附着在地面上，在水平地面加速过程中，罐壁和底板作为移动地面的一部分做出响应，并与地面保持一致。
刚性罐壁和地面的水平加速度引起的惯性力与地面加速度成正比。
当储罐装满液体时，所含下部液体（Wi）就像与储罐壁刚性连接在一起（耦连）。
当这个质量加速时，它对罐壁施加一个水平力，该力与罐底的最大加速度成正比，此力定义为脉冲力（Impulsive force）Pi。
储罐内上部液体（Wc）充当固体振荡质量，在相同的加速度下柔性连接到罐壁。
这部分以其自振频率振荡（晃动），在罐壁上施加一个与该频率的平方以及地面加速度成正比的附加力，该力定义为对流分量(Convective component) Pc。
对流分量振荡的特征在于“晃动”（Sloshing）作用，液体一侧上升到静态液面之上，一侧则下降到静态液面之下。
上面的流程只对于刚性基础上的刚性储罐有效-刚性罐的罐壁与地面同步移动。
柔性罐的运动则不同，柔性影响流体动力学效应，并可能显著增加影响地震特性。
下图为储罐抗震的数学模型：
液体的晃动对储罐的响应有显著影响。
考虑液体晃动时，自由液体表面的动水压力分布、力矩和固有频率的估计是主要问题。
为了模拟晃动部分，研究人员使用了各种机械模型，例如质量弹簧阻尼器或摆系统。
在过去的几十年里，晃动效应一直在研究之中。这些研究中考虑了许多重要现象，例如晃动对非粘性和粘性液体的线性和非线性影响。
地震危害之1：罐底提升
当未锚固的罐体暴露于强烈的地面震动时，会有倾覆力矩，产生流体动力压力，并且罐体一侧会被抬起，除非罐体的重量可以平衡并防止在倾覆力矩期间被抬起。
罐底提升，可能导致罐壁破坏，输入、输出管道破裂，局部连接处应力超标或使基础不对称。
下图为地震罐壁提升的效果图。
如果不是旁边的大罐依靠一下，储罐可能会完全倾覆。
地震危害之2：罐壁屈服
罐壁屈服分为两种：
A）由罐壁的轴向压缩应力引起的，在罐壁中间段产生的弹性屈曲（菱形壁）。
如下图所示：
B) 由罐壁的轴向压缩应力引起的，在储罐底部产生的弹塑性屈曲（象足）。
罐壁中的环向拉应力对象足屈曲的发生也有重要影响，随着罐壁中的环向拉应力的增加，罐壁的屈服临界应力会降低。
非锚固的储罐在地震下的提离作用会使得储罐瞬间轴向压应力非常大，储罐更容易发生屈曲。
为防止弹性和弹塑性屈曲损坏，应防止罐壁中产生的压缩应力（垂直地震力和提离）和罐壁中周向应力的过度增加。
地震危害之3：不对称沉降和滑移
地震时罐底与基础碰撞产生的动态力，导致罐内会发生沉降。
沉降的限制值可以参考GB 50341-2014，附录E.4.5条。
地震在储罐底部产生的剪力可能会克服储罐底部与地基之间的摩擦力而导致储罐滑移。
为了控制储罐滑移，将基础视为驱动力，将储罐底部与床层的摩擦力视为平衡力。根据ASCE的建议，防止滑移所需的最小安全系数为1.5。
为计算抗滑移的平衡力，API建议罐底与地基之间的摩擦系数不大于 0.4。
这种损坏在直径小于9米的储罐中发生较多。
地震危害之4：损坏储罐基础
很多时候，储罐位于不适合建造储罐的区域。在未锚固或未全完锚固且有坚实基础的储罐中，罐壁与底板的大角焊缝很大概率会出现故障。
地震加速度会导致储罐提升。
有时，罐体倾倒会导致罐体基础受到侵蚀；
地震常见的故障是罐壁附近的罐底变形，这可能是由于土壤液化、边坡不稳定或过度沉降造成的。
可以在储罐下方使用加强的基础来防止这种破坏。
在柔性基础上制造的储罐比在刚性基础上实施更合适。因为软基础会导致罐体振动周期加长。
地震危害之5：倾覆
地震引起的倾覆力矩会导致部分罐体底板被抬升，该类型罐体的地震响应退出线性范围，进入非线性阶段。
随着罐体高径比的增大，质心与底部之间的距离增加，从而倾覆力矩增大，稳定性降低。
API 650规范中的附录 E ，基于锚固比J进行控制。
如果锚固比J大于 1.54，则储罐将不稳定并会产生倾覆，此时必须要设置锚固。
地震危害之6：罐顶部破坏
储罐及储液由于地震力而振动，储罐内储液表面产生波浪。
当频率远低于罐壁的频率时，储液就会发生振动，储液的振动幅度受地震频率的影响。
如果储液晃动波高的自由距离不够，就会损坏结构。
下图为晃动波产生的破坏。
为控制液体（晃动）和罐顶损坏，可增加液体自由高度（Freeboard），或加固储罐顶板。
根据 API 650规范，对自由高度有所要求，最低不低于0.7倍的晃动波高。
按照GB50341设计的储罐，自由高度应不低于晃动波高。
有时由于罐壁与罐底的连接失效，或与罐连接的管道失效，导致罐内液体很快耗尽；
结果，液体快速排放产生了部分真空，导致罐顶和罐壳的上部失稳破坏。