管道第五章之管道的抗震设计计算

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：1923年日本关东大地震，震级7.9级，震中烈度11度，距震中90公里的横滨市几乎被化为废墟，东京被烧掉三分之二，死亡近十万人；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。2008年的汶川大地震，震级8.0级，震中烈度11度，汶川大地震是中国一九四九年以来破坏性最强、波及范围最大的一次地震。全世界平均每年发生5级以上的地震130次。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0.1~0.15g以上（地震烈度为七度）。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。地震波主要分为体波和面波。体波主要有两种成分：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。剪切波（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ab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。如唐山地震，震级7.8级，震源深度12~16km，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

27.53671800727033300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、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，，放置不稳的器物物倾倒，电线杆、、树木、塔状体的的摇动有时可见，，钟表停摆；烈度VI，人人受惊，跑出出室外，重家具移移动，灰泥抹面有有脱落，烟窗有倾倾倒，稍有受灾；；烈度VII，人人都跑出室外外，质量好的建筑筑物几乎不受损害害，一般的则有若若干受灾，质量不不好的有显著受灾灾。烟窗折断，人人在行驶着的汽车车中也可感受到地地震；烈度VIII，质量好的建筑物物也受有或多或少少的灾害，一般的的建筑物有相当的的灾害，且有一部部分倒塌。质量不不好的建筑物遭受受大的破坏，贴板板墙面错动脱落，，烟窗、柱、纪念念碑、墙壁倾倒。。泥沙少量喷出，，井水发生变化，，汽车行驶有障碍碍；烈度IX，质量好的建筑物物也有相当的震害害，建筑物、构筑筑物的基础错位偏偏移，地面裂开，，地下埋设管道破破坏。烈度X，质量好的木造房房屋倒塌，多数砖砖石结构和架桥结结构连同基础一起起遭到破坏，地面面开裂，钢轨弯曲曲，斜坡与堤防滑滑移；烈度XI，砖石结结构几乎乎全部倒倒塌，桥桥梁破坏坏。地面面全面出出现裂缝缝，地下下埋设管管道不能能使用，，软弱地地基发生生滑移，，钢轨显显著弯曲曲。烈度XII，全部遭遭到震灾灾，地面面波动传传播可知知，地形形变动，，物体被被抛起来来。也可根据据最大加加速度来来确定地地震烈度度美国地震震烈度表表烈度IIIIIIIVV加速度cm/s2<1.01.0~2.12.1~5.05.0~1010~21烈度VIVIIVIIIIXX加速度cm/s221~4444~9494~202202~432>432基本烈度度基本烈度度是指某某地区在在今后一一定时间间内，在在一般场场地条件件下可能能遭受的的最大地地震烈度度。按照国家家地震局局颁布的的《中国地震震烈度区区划图》，全国分分为：五五度、六六度、七七度、八八度、九九度共五五个区。。基本烈烈度本地震震烈度度区划划图上上所标标示的的地震震烈度度值，，系指指在50年期限限内，，一般般场地地条件件下，，可能能遭遇遇超越越概率率为10%的烈度度值。。抗震设设防烈烈度抗震设设防烈烈度是是按国国家规规定的的权限限批准准作为为一个个地区区抗震震设防防依据据的地地震烈烈度。。我国抗抗震设设防范范围为为七、、八、、九度度。九九度以以上的的地区区不宜宜建包包括油油罐在在内的的工业业设施施。5-2场地及及地基基土类类别的的划分分震害表表明，，同一一烈度度区内内，局局部土土质条条件不不同，，建筑筑物的的破坏坏程度度差异异很大大。对地面面运动动的影影响：：软弱弱地基基与坚坚硬地地基相相比，，前者者的地地面卓卓越周周期长长，振振幅较较大，，振动动持续续时间间较长长；对地基基的稳稳定和和变形形的影影响：：软弱弱地基基易产产生不不稳定定状态态和不不均匀匀沉降降，甚甚至发发生液液化、、滑坡坡、开开裂等等严重重现象象，而而坚硬硬地基基则很很少有有这种种危险险；改变建建（构构）筑筑物的的动力力特性性：软软弱地地基对对上部部结构构有增增长周周期、、改变变振型型和增增大阻阻尼的的作用用。各类地地段的的划分分类型地质、地形、地貌有利地段坚硬土或开阔平坦均实的中硬土等不利地段软弱土，液化土，条状突出的山嘴，高耸孤立的山丘，非岩质的陡坡，河岸和边坡边缘，平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的土层（如故河道、断层破裂带、暗埋的塘浜沟谷及半填半挖地基）危险地段地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等及发震断裂带上可能发生地表位错的部位场地土土的划划分场地土类型土层剪切波速（m/s）坚硬场地土vs>500中硬场地土500≥vs>250中软场地土250≥vs>140软弱场地土vs≤140近、远震场地类别IIIIIIIV近震0.200.300.400.65远震0.250.400.550.85特征周周期5-3砂土的的地震震液化化液化使使土壤壤强度度减少少甚至至完全全丧失失，管管道由由于支支承丧丧失甚甚至还还可能能受到到液化化土的的浮力力作用用，引引起管管道上上大的的变形形而破破坏。。砂土液液化的的概念念：““液化化是使使任何何物质质转化化为液液体状状态的的行为为过程程。就就无粘粘性土土而言言，这这种由由固体体状态态变为为液体体状态态的转转化是是孔隙隙水压压力增增大和和有效效应力力减小小的结结果””。影响砂土液液化的主要要因素砂土的粒度度组成均匀的级配配易于产生生液化，就就细砂和粗粗砂而言，，细砂的渗渗透性比粗粗砂低，细细砂比粗砂砂更易液化化。砂土的密度度疏松的砂，，孔隙大，，易于液化化，密实的的砂则抗液液化。砂层的有效效覆盖压力力覆盖土层越越厚，就相相当密闭容容器的耐压压强度越高高，从而减减轻了砂土土液化对工工程结构的的影响。地震的烈度度和持续的的时间砂土能否液液化，由地地震所引起起的土体内内最大剪应应力的情况况和持续作作用的时间间来决定5-4跨越断层管管道的抗震震设计断层是两部部分地壳板板块之间挤挤压而导致致断裂面，，并沿该断断裂面发生生相对运动动；断层类型有有三种：走滑断层——主要运动发发生在水平平面；正断层——正断层使管管道承受拉拉伸变形；；逆断层——逆断层使管管道承受压压缩变形。。断层对管道道的作用：：破坏模式三种可能的的破坏模式式：拉裂、、局部屈曲曲和梁式屈屈曲埋地钢管在在穿越正断断层或以90的交角穿越越走滑断层层时，主要要承受拉力力，破坏模模式为拉裂裂。通常极极限拉应变变取4%，大于该值值即认为管管道已发生生拉裂破坏坏。地下管道穿穿越逆断层层或以>90的交角穿越越走滑断层层时，主要要承受压力力，其可能能的破坏模模式包括局局部屈曲和和梁式屈曲曲。应力-应变曲线描述管道屈屈服后的应应力-应变特性，，可采用Ramberg-Osgood建议的关系系式：式中，是工程应变变，是轴拉应力力，E是弹性模量量，y是屈服应力力,n和r是Ramberg-Osgood参数。应变控制管道的设计计允许应变变和荷载组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1国内外研究究现状理论模型（1）Newmark-Hall模型；（2）Kennedy模型；（3）王汝梁模模型；（4）刘爱文模模型。存在问题：：不适合管管道受压情情况，且不不能体现管管截面的大大变形情况况。有限元模型型管土相互作作用采用土土弹簧模拟拟，土弹簧簧刚度确定定（ASCE指南）存在问题：：土弹簧刚刚度未考虑虑管沟参数数及管沟内内外土壤特特性不同的的情况。认为管子变变形为一条条直线，管管道的最大大应力及最最大应变均均在与断层层的相交处处，并且只只考虑轴向向摩擦力，，忽略管子子的弯曲刚刚度和周围围土体的侧侧向作用力力，管材应应力-应变曲线采采用三折线线模型。该该方法得到到的结果偏偏于不安全全。三点改进：：(1)把管子变形形分段即用用圆弧和直直线分别模模拟在断层层附近和离离断层较远远的管段变变形；(1)在断层附近近考虑周围围土体的侧侧向作用力力；(3)管材应力-应变曲线采采用Ramberg-Osgood模型。但由由于该方法法同样忽略略了管子的的弯曲刚度度，其计算算结果多数数情况下偏偏于保守。。考虑了管管子的弯弯曲刚度度，离断断层较远远的管道道变形不不再是简简单的直直线而是是采用弹弹性地基基梁的变变形曲线线模拟，，将断层层附近管管子的变变形假定定为梁的的挠曲线线，并得得出管道道的最大大应力及及最大应应变不一一定在与与断层的的相交处处，而可可能是在在断层附附近某个个点上的的结论。。考虑了剪剪力连续续的边界界条件，，管材应应力-应变曲线线采用Ramberg-Osgood模型，提提出一种种可以把把Newmark方法和Kennedy方法作为为特例包包容进去去的新方方法。2基于应变的穿穿越活动断层层埋地管道抗抗震设计方法法研究管线变形后形状有限元模型管土相互作用用采用土弹簧簧模拟土弹簧刚度确确定（考虑管管沟影响）2.1考虑管沟敷设设参数的土弹弹簧刚度计算算方法管轴方向—ASCE指南水平和垂直方方向—实际管沟截面面内的平面应应变有限元分分析管道穿越断层层的相交角度度为，断层倾角为为。管道穿越水水平位移为s的走滑断层时时，沿管道的的轴向位移分分量x和侧向位移分分量y分别为：管道穿越垂直直位移为p的正断层和逆逆断层时，沿沿管道的水平平分量x、水平侧向分分量y和竖直分量z分别为：式中，p对正断层取正正值，对逆断断层取负值。。s对右旋走滑断断层取正值，，对左旋走滑滑断层取负值值。2.2断层位移预测测管道模型——ELBOW单元管材模型——R-O本构关系管-土作用模型——PSI单元单元刚度——管轴方向：ASCE指南水水平和垂直方向向：实际管沟截截面内的平平面应变有限限元分析载荷条件——断层位移环向全壳积分，，准确描述管道道等薄壁结构复复杂变形，适于于管道截面椭圆圆化、扭曲或翘翘曲等问题，内内压、温度2.3活动断层区埋地地管道力学分析析模型算例——西气东输二线管道1219×22mm，埋深2.5m，内压12MPa；管材X80，弹性模量

MPa。管沟管沟底宽1.8m；管沟坡度1：10。

土体管沟土：砂土，密度18KN/m3，内摩擦角30°，弹性模量30MPa。周围土：21.8m×13.3m，弹性模量500MPa。①管道主要受轴轴向压应力作用用；②管道最大应变变出现在断层两两侧20米范围内，0.65%。2.4穿越活动断层埋埋地管道应变的的影响因素分析析断层逆断层，穿越角度40°，断层倾角45°，垂直位移1.41m。西气东输二线强强震区和活动断断层段埋地管道道基于应变设计计导则容许拉伸应变容许压缩应变2.4穿越活动断层埋埋地管道应变的的影响因素分析析2.4穿越活动断层埋埋地管道应变的的影响因素分析析优选由以上分析可知知，该埋地管道道的最佳交角为为10°；最佳埋深为1.8m；最佳沟宽为1.9m；安全壁厚为26.4mm。管道最大压缩应应变由0.65%降低到0.22%，降低了66.15%。2.4穿越活动断层埋埋地管道应变的的影响因素分析析抗震措施优先顺顺序：选择管道穿越活活动断层的有利利走向降低管土相互作作用（管沟尺寸寸、埋深、回填填土特性）增加管道壁厚5-5地震波动作用下下管道的应力与与应变1.地面变形工程上把地震波波视为平面简谐谐波，波动方程程为任何复杂波均由由简谐波迭加而而成。管道在地震时将将伴随周围土体体一起变形分别由纵波和横横波确定管道的的纵向和横向变变形其中:最大地面运动加加速度令:其中:纵向和横向变形形2.地震波动时管道道的应力根据地面运动，，确定管道应力力。地震应力迭加后后的总的轴向应应力值是否超过过s，值得考虑。理论方法（1）拟静力近似分分析方法（最早早由Newmark提出）；（2）反应位移方法法（由日本学者者20世纪70年代提出）；（3）输油(气)钢质管道抗震设设计规范法（SY/T0450-2004）；（4）运动-变形分析法（在在前几种方法的的基础上发展的的，更准确的反反映了地震波对对管道的作用））。反应位移方法（由日本学者20世纪70年代提出）输油(气)钢质管道抗震设设计规范法（SY/T0450-2004）场地类型坚硬一般软弱剪切波速C(m/s)500300140特征周期Tg(s)一组0.250.350.45二组0.30.40.55三组0.350.450.75运动-变形分析法（在前几种方法法的基础上发展展的，更准确的的反映了地震波波对管道的作用用）Ⅷ度的EL-centro地震波；地震波沿着Y向支管传播；最大地震响应发发生在第4.6s；三通最大应变达达到0.2915%。Y向传播时三通的的应变反应时程程曲线埋地管道抗震设设计上的考虑管道选线时应避避开