管道与储罐强度-5抗震

1、第五章 管道抗震设计计算 地震是最严重的自然灾害之一，例； 1960年智利大地震，震级8.9级，震中烈度11度，引起地面下沉、 滑坡塌方、火山爆发、海啸，沿海一带的城镇、港口等大都被海 浪冲走或陷入海里； 1976年的唐山大地震，震级7.8级，震中烈度11度，唐山市房屋绝 大部分倒塌。 全世界平均每年发生5级以上的地震130次； 我国地处环太平洋地震带与喜马拉雅-地中海地震带之间， 是世界上地震灾害频发的国家之一，每年都会有多次六、 七级地震发生。 地震使管道破坏并产生严重的次生灾害 地震对管道的影响： 断层 土壤液化 地面波动 管道抗震的设计规定：设防地震动峰加速度为 0.10.15g以上（

2、地震烈度为七度）； 2008年11月27日，发布GB 50470油气输送管 道线路工程抗震技术规范。 5-1 工程抗震常识 1、地震波 地震时，地下积蓄的变形能量以波的形式释放，从震源向 四周传播。 地震波是一种体波，它主要有两种成分： 压缩波（P波）：又称纵波或疏密波，其质点的振动方向与波的前 进方向一致，可在固体或液体中传播。其特点是周期短、振幅小。 横波（S波）：又称横波或等容波，其介质的振动方向与波的前进 方向垂直，仅能在固体中传播。其特点是周期较长、振幅大。 压缩波比剪切波的传播速度高。 P波和S波示意 a b 压缩未扰动介质 P波 S波 波长 膨胀 两倍波幅 面波乐甫波(L波)和瑞

3、利波(R波) 当体波从基岩传播到上层土时，经分层地质界面的多次反 射和折射，在地表面形成的一种次生波 地震时，压缩波最先到达，然后是剪切波，再后是面波。 2、震级 指在一次地震中地壳所释放出来的能量。释放的 能量越多，震级越大； 地震的震级一般采用里氏（里克特 Richter）震 级； 一个6级地震释放的能量相当于一个2万吨级的原 子弹； 地震对地面的影响程度与许多因素有关，除了震 级以外，还与震源深度、震中距等因素有关。 3、烈度 地震烈度是指某一个地区、地面及房屋建 筑等工程结构遭受到一次地震影响的强烈 程度。 一次地震对于不同的地区有多个烈度，即 地震烈度。 震级与烈度不能混淆。 如唐山

4、地震，震级7.8级，震源深度1216km， 震中烈度11度，各地烈度如下 烈 度范 围面积，km2 11度 10度 9度 8度 7度 唐山市 古冶到丰南 宁河、滦县、汉沽 天津市区 北京市部分地区 27.5 367 1800 7270 33300 我国采用12度地震烈度法 烈度I，在特别易于感受的条件下，只有少数人才能感觉到； 烈度II，只有在建筑物上层部位静止着的人们方能感觉到， 易于摆动的悬吊物有摇摆现象； 烈度III，在建筑物上层部位的多数人可感觉到，但大部分 人不认为是地震。停着的汽车轻微摆动，有如卡车经过时 的震动，可测知其持续时间。 烈度IV，白天室内多数人，室外少数人可感知，盘碟

5、、 门窗摇动，墙壁作响，有如重卡车碰撞建筑物的感觉， 停着的汽车相当摇动； 烈度V，人人可感知，多数人睡中醒来，窗玻璃有摇动， 灰泥抹面裂缝，放置不稳的器物倾倒，电线杆、树木、 塔状体的摇动有时可见，钟表停摆； 烈度VI，人人受惊，跑出室外，重家具移动，灰泥抹 面有脱落，烟窗有倾倒，稍有受灾； 烈度VII，人人都跑出室外，质量好的建筑物几乎不受 损害，一般的则有若干受灾，质量不好的有显著受灾。 烟窗折断，人在行驶着的汽车中也可感受到地震； 烈度VIII，质量好的建筑物也受有或多或少的灾害，一 般的建筑物有相当的灾害，且有一部分倒塌。质量不 好的建筑物遭受大的破坏，贴板墙面错动脱落，烟窗、 柱、

6、纪念碑、墙壁倾倒。泥沙少量喷出，井水发生变 化，汽车行驶有障碍； 烈度IX，质量好的建筑物也有相当的震害，建筑物、构筑 物的基础错位偏移，地面裂开，地下埋设管道破坏。 烈度X，质量好的木造房屋倒塌，多数砖石结构和架桥结 构连同基础一起遭到破坏，地面开裂，钢轨弯曲，斜坡 与堤防滑移； 烈度XI，砖石结构几乎全部倒塌，桥梁破坏。地面全面出 现裂缝，地下埋设管道不能使用，软弱地基发生滑移， 钢轨显著弯曲。 烈度XII，全部遭到震灾，地面波动传播可知，地形变动， 物体被抛起来。 也可根据最大加速度来确定地震烈度 美国地震烈度表 烈度IIIIIIIVV 加速度cm/s2 432 基本烈度 基本烈度是指某

7、地区在今后一定时间内，在一般场地条件 下可能遭受的最大地震烈度； 按照国家地震局颁布的中国地震烈度区划图，全国分 为：小于六度、六度、七度、八度、九度和大于十度共六 个区。 抗震设防烈度 抗震设防烈度是按国家规定的权限批准作为一个地区抗震 设防依据的地震烈度。 我国抗震设防范围为七、八、九度。九度以上的地区不宜 建包括油罐在内的工业设施。 5-2 场地及地基土类别的划分 震害表明，同一烈度区内，局部土质条件不同，建筑物的 破坏程度差异很大。 对地面运动的影响：软弱地基与坚硬地基相比，前者的地面卓越 周期长，振幅较大，振动持续时间较长； 对地基的稳定和变形的影响：软弱地基易产生不稳定状态和不均

8、匀沉降，甚至发生液化、滑坡、开裂等严重现象，而坚硬地基则 很少有这种危险； 改变建（构）筑物的动力特性：软弱地基对上部结构有增长周期、 改变振型和增大阻尼的作用。 管道抗震场地地段划分 类型地质、地形、地貌 有利地段一般是指无全新世活动断裂、边坡稳定条件较好、场地属 于坚硬场地或密实均匀的中硬场地等地段 不利地段一般是指地质构造比较复杂，有全新世以来活动性断裂， 场地属于软弱场地、条状突出的山脊、高耸孤立的山丘、 非岩质（其中包括胶结不良的第三纪沉积）的陡坡，采 空区、河岸和边坡边缘、软硬不均的场地（如故河道、 断层破裂带、暗埋的塘浜沟谷及半填半挖地基）等地段 危险 地段 一般是指地质构造复杂

9、，有全新世活动性断裂及地震时可 能发生断裂、滑坡、崩塌、地陷、地裂等地段 场地土的划分 场地土类型土层剪切波速（m/s） 坚硬场地土vs500 中硬场地土500vs250 中软场地土250vs140 软弱场地土vs140 近、远震 场地类别 IIIIIIIV 近震0.200.300.400.65 远震0.250.400.550.85 特征周期 5-3 砂土的地震液化 液化使土壤强度减少甚至完全丧失，管道由于支承丧失甚 至还可能受到液化土的浮力作用，引起管道大变形而破坏。 砂土液化的概念：“液化是使任何物质转化为液体状态的 行为过程。就无粘性土而言，这种由固体状态变为液体状 态的转化是孔隙水压力

10、增大和有效应力减小的结果”。 影响砂土液化的主要因素 砂土的粒度组成 均匀的级配易于产生液化，就细砂和粗砂而言，细砂的渗透性比 粗砂低，细砂比粗砂更易液化。 砂土的密度 疏松的砂，孔隙大，易于液化，密实的砂则抗液化。 砂层的有效覆盖压力 覆盖土层越厚，就相当密闭容器的耐压强度越高，从而减轻了砂土液化 对工程结构的影响。 地震的烈度和持续的时间 砂土能否液化，要看地震所引起的土体内最大剪应力的情况和持 续作用的时间来决定。 5-3 跨越断层管道的抗震设计 断层是两部分地壳板块之间挤压而导致断裂面，并沿该断裂面发生相 对运动； 在地震情况下，断层会引起地质位移加大； 断层描述包括：断层走向和倾向、

11、断距。断层描述包括：断层走向和倾向、断距。 断层类型： 正断层 逆断层 平移断层 断层对管道的危害： 断层滑动导致管道变形（包 括拉伸变形和挤压变形）和 剪切破坏； 破坏模式 三种可能的破坏模式： 拉裂 局部屈曲 梁式屈曲 穿越正断层或以 90 的交角穿越走滑断层时，主要承 受拉力，破坏模式为拉裂 。 穿越逆断层或以 90 的交角穿越走滑断层时，主要承 受压力， 其可能的破坏模式包括局部屈曲和梁式屈曲。 应变控制 管道的设计允许应变和荷载组合 受拉受压 海底管道1%0.5% 陆上管道4%0.35t/D 荷载组合可只考虑断层位移断层位移+温度+内压 此结构经历一次7.9大地震，断层位移14 5-

12、5 地震波动作用下管道的应力与应变 1、地面变形 工程上把地震波视为平面简谐波，波动方程为 v x t T atxy 2 sin, 0 任何复杂波均由简谐波迭加而成。 管道在地震时将伴随周围土体一起变形 分别由纵波和横波确定管道的纵向和横向变形 V x t TVT a x y 2 cos 12 0 PP P V x t TVT a 2 cos 12 0 SS S V x t TVT a 2 cos 12 0 2 0max 2 T aA 其中 最大地面运动加速度 令 Kg T aA 2 0max 2 4 . 09 2 . 08 1 . 07 K K K K g 度地震烈度 度地震烈度 度地震烈度

13、 与重力加速度的比值。 面最大加速度地震系数，即地震时地 重力加速度； 其中, 纵向和横向变形 P P V KgT 2 max S S V KgT 2 max 2. 地震波动时管道应力 根据地面运动，确定管道应力。 E V KgT E P P 2 maxmax S S V KgT G 2 maxmax 地震应力迭加后的总的轴向应力值是否超过s，值得考虑。 Er V Kg E P BBE0 2 maxmax 埋地管道抗震设计上的考虑 管道选线时应避开9度以上的地震区； 尽可能避开断层、滑坡、塌陷地区，避开饱和松散粉砂 地段； 通过断层区的管道，管道与地层尽可能只相交一次，不 能与断层平行，与断层

14、的夹角以3080为宜，断层两侧 至少60m范围内管道浅埋。 通过液化区时，必要时可改在地上敷设，如果液化土较 浅，可在液化土层以下稳定的土壤中； 在管道出入地面部位，与三通、阀门和设备等的连接以 及软硬土交错部位，应采用柔性连接。 本章小结 油气管道的抗震设防烈度是七度。 地震影响管道主要有三种作用：断层错动、土壤液化和地面振动。油气输送 管道的抗震设计也是从这三个方面分别考虑。 地震波是体波：纵波和横波。此外，在地表面形成两种形式的次生波面 波：乐甫波(L波)和瑞利波(R波)。 地震释放的能量大小用震级表示，一般采用里氏震级。 地震烈度是指某一个地区、地面及房屋建筑等工程结构遭受到一次地震影响 的强烈程度。我国将地震烈度分为12度。 断层是两部分地壳板块之间挤压而导致断