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、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<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

基本烈度是指某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：五度、六度、七度、八度、九度共五个区。基本烈度

本地震烈度区划图上所标示的地震烈度值，系指在50年期限内，一般场地条件下，可能遭遇超越概率为10%的烈度值。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。各类地段的划分

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的划分

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特征周期

5-辫3砂土股的地凭震液即化液化棍使土筝壤强秋度减帅少甚玻至完疾全丧痰失，索管道民由于雅支承殃丧失族甚至谋还可隆能受婶到液用化土添的浮饰力作塑用，贵引起朱管道呆上大伍的变绒形而吉破坏睛。砂土局液化辟的概间念：离“液抓化是佳使任抽何物古质转草化为乒液体只状态榴的行抽为过河程。茂就无密粘性阳土而惹言，默这种哀由固婚体状乌态变部为液纽奉体状库态的月转化掘是孔盖隙水刘压力拢增大宁和有愚效应趣力减多小的展结果逼”。影响砂宗土液化载的主要灿因素砂土的腊粒度组伪成均匀港的级膊配易铜于产肆生液芹化，赶就细滑砂和怠粗砂族而言瓶，细瓣砂的挨渗透丹性比协粗砂贿低，拐细砂槐比粗牺砂更递易液绒化。砂土的残密度疏松的艇砂，孔弊隙大，闷易于液离化，密上实的砂矛则抗液丘化。砂层的浴有效覆铃盖压力覆盖土凳层越厚旨，就相乌当密闭普容器的钻耐压强妈度越高糠，从而哄减轻了驻砂土液杰化对工由程结构加的影响炸。地震抹的烈展度和盛持续保的时外间砂土永能否规液化薯，由殿地震街所引志起的隙土体子内最阀大剪沿应力并的情判况和只持续夜作用志的时励间来格决定5-4跨越断恒层管道惹的抗震退设计断层是礼两部分诊地壳板堂块之间上挤压而听导致断傲裂面，殿并沿该聚断裂面今发生相俘对运动叠；断层净类型祖有三丑种：走滑页断层——主要巩运动悦发生找在水作平面竖；正断层——正断层车使管道窜承受拉积伸变形疏；逆断欠层——逆断虽层使妥管道楼承受阿压缩茎变形赶。断层在对管索道的宗作用浓：破坏拾模式三种荒可能煌的破腹坏模肆式：择拉裂校、局马部屈伞曲和员梁式岸屈曲埋地钢条管在穿翅越正断届层或以90的交岩角穿劈燕越走剥滑断买层时腔，主树要承让受拉首力，弱破坏帖模式见为拉敬裂。唇通常母极限茎拉应度变取4%，大殿于该辫值即孩认为眉管道片已发闲生拉欺裂破驴坏。地下扫管道筒穿越圾逆断炉层或拌以>孝90的交例角穿蹈越走质滑断射层时纷，主于要承垒受压感力，路其可佳能的示破坏斑模式嘱包括吗局部浸屈曲墓和梁播式屈乐曲。应力-应变多曲线描述爆管道肆屈服候后的广应力-应变搞特性抖，可菜采用Ra脆mb泄er艘g-墓Os挤go蜂od建议斥的关午系式顿：式中宣，是工程原应变，许是轴秩拉应必力，E是弹哄性模撇量，互y是屈世服应暗力,蚂n和r是Ram窄ber凭g-O伟sgo酷od参数。应变厘控制管道筝的设瘦计允扇许应扑变和黑荷载役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国内外立研究现隙状理论模犹型（1）New着mar香k-H真all模型竖；（2）Ke连nn扇ed留y模型爆；（3）王汝霞梁模型喷；（4）刘爱有文模型扯。存在撕问题淘：不萄适合岔管道筋受压刊情况滑，且超不能练体现房诚管截趋面的炸大变务形情丸况。有限市元模判型管土营相互脊作用悉采用螺土弹被簧模绑拟，岂土弹历簧刚鹅度确桂定（AS壶CE指南）存在浪问题庭：土娘弹簧励刚度途未考劝虑管帮沟参些数及散管沟横内外原土壤宏特性帜不同滚的情桌况。认为尘管子赚变形递为一元条直独线，谊管道恨的最哪大应乳力及打最大算应变望均在笋与断浸层的兰相交代处，销并且溉只考故虑轴认向摩暑擦力更，忽妙略管近子的受弯曲绑刚度症和周断围土截体的治侧向章作用伐力，呼管材含应力-应变赏曲线羞采用含三折裁线模露型。局该方依法得膏到的总结果赵偏于驶不安黑全。三点改感进：(1铜)把管子存变形分质段即用闯圆弧和仓直线分记别模拟企在断层工附近和翻离断层映较远的央管段变算形；(1)在断层叮附近考户虑周围章土体的减侧向作卵用力；(3资)管材趁应力-应变逆曲线屿采用Ram方ber块g-O算sgo应od模型购。但掩由于望该方阳法同骑样忽液略了棍管子堡的弯腿曲刚文度，刷其计螺算结痰果多沈数情蓬况下垂偏于踏保守赢。考虑了肤管子的墨弯曲刚竖度，离深断层较龙远的管蔬道变形底不再是距简单的嫁直线而趋是采用晌弹性地群基梁的翻变形曲草线模拟驰，将断他层附近貌管子的户变形假稿定为梁敞的挠曲躲线，并腔得出管姓道的最佩大应力状及最大名应变不技一定在俩与断层寻的相交弄处，而拣可能是淋在断层脾附近某狐个点上棕的结论冻。考虑怒了剪膏力连矩续的饺边界尼条件焰，管唱材应绍力-应变绸曲线惠采用Ra圈mb螺er品g-农Os扑go号od模型粒，提汗出一轿种可泼以把Ne隔wm泥ar貌k方法和Ke叮nn炊ed例y方法而作为团特例麦包容族进去鲜的新心方法纽奉。2基于应订变的穿蚀越活动赌断层埋坝地管道忍抗震设同计方法炊研究管线变形后形状有限元湾模型管土相雷互作用愉采用土幕弹簧模邀拟土弹簧盟刚度确谅定（考苹虑管沟徐影响）2.1考虑贩管沟搜敷设饥参数毛的土桂弹簧添刚度桂计算展方法管轴桐方向—A演SC狮E指南水平惜和垂悄直方戏向—实际枝管沟令截面授内的能平面瞧应变估有限买元分紧析管道厌穿越挣断层关的相换交角益度为，断层好倾角为。管道尊穿越水语平位移宫为s的走滑嚼断层时真，沿管眠道的轴戏向位移姿分量x和侧存向位花移分廊量y分别便为：管道穿大越垂直去位移为p的正断贷层和逆商断层时天，沿管鸟道的水美平分量败x、水谊平侧弹向分声量y和竖直膜分量z分别为：式中犯，p对正勇断层帅取正合值，到对逆郊断层骆取负晋值。贩s对右旋鞋走滑断狭层取正众值，对烧左旋走腔滑断层宴取负值浴。2.叔2断层位勾移预测管道模网型——EL猫BO场W单元管材模晴型——R-O本构乓关系管-土作爹用模袍型——PSI单元单元础刚度——管轴暂方向临：AS桨CE指南北水平和慕垂直方驾向：实魔际管沟冒截面内弟的龟平面凤应变有鸣限元分析析载荷条舅件——断层位抖移环向全卧壳积分御，准确雹描述管志道等薄慢壁结构纪复杂变建形，适脑于管道贷截面椭长圆化、自扭曲或扮翘曲等检问题，腊内压、滨温度2.3活动下断层送区埋撞地管哀道力饱学分楼析模怎型算例——西气雹东输奴二线管道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管锄道主炕要受太轴向浴压应酒力作腥用；②管道丙最大应探变出现雹在断层躲两侧20米范痒围内警，0.缩慧65功%。2.4穿越活化动断层寒埋地管引道应变罩的影响青因素分贼析断层逆断层，穿越角度40°，断层倾角45°，垂直位移1.41m。西气喊东输甩二线捕强震蓬区和休活动超断层予段埋乏地管债道基勤于应即变设焰计导支则容许角拉伸收应变容许压罚缩应变2.熄4穿越疮活动叶断层左埋地麦管道挖应变锡的影治响因眉素分高析2.醉4穿越活激动断层烟埋地管属道应变气的影响支因素分纷析优选由以胡上分款析可势知，罢该埋脖地管葬道的检最佳里交角黄为10晨°；最写佳埋狼深为1.盆8m；最佳谨沟宽为1.挣9m；安场全壁担厚为26.肺4mm。管道裁最大池压缩流应变近由0.孟65朋%降低礼到0.2差2%，降低发了66倒.1血5%。2.纽奉4穿越萄活动删断层果埋地但管道坊应变嗓的影勿响因边素分芒析抗震措游施优先盐顺序：选择管污道穿越貌活动断盘层的有喷利走向降低管贡土相互凯作用（她管沟尺仅寸、埋虾深、回盲填土特匆性）增加怒管道恢壁厚5-5地震波举动作用画下管道法的应力音与应变1.地面淋变形工程上杰把地震暂波视为扣平面简韵谐波，搂波动方多程为任何复序杂波均次由简谐性波迭加镇而成。管道丽在地栽震时桐将伴痛随周索围土缠体一用起变孔形分别触由纵和波和允横波处确定应管道鹅的纵谁向和搬横向若变形其中:最大柄地面卷运动陪加速连度令:其中:纵向和鸟横向变含形2.地震波形动时管茄道的应厅力根据地枝面运动杰，确定隙管道应全力。地震应趴力迭加腥后的总竭的轴向睡应力值泼是否超织过s，值得炎考虑。理论方滚法（1）拟花静力存近似沙分析访方法旬（最土早由New景mar均k提出）话；（2）反应面位移方罩法（由翻日本学产者20世纪70年代克提出炸）；（3）输美油(气)钢质芬管道槽抗震浙设计乓规范锤法（SY/闷T04液50-希200闹4）；（4）运岸动-变形分安析法（唯在前几猴种方法削的基础况上发展案的，更即准确的晚反映了剧地震波具对管道棚的作用腾）。反应她位移惠方法（由日招本学者20世纪70年代提赖出）输油(气)钢质州管道战抗震茫设计键规范态法（SY薪/T芳04雀50病-2削00润4）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-变形善分析燃法（在前企几种方竿法的基鬼础上发厕展的，专更准确著的反映裂了地震渗波对管搏道的作悲用）Ⅷ度的EL匙-c钥en捉tr菌o地震激波；地震波扛沿着Y向支管踪蝶传播；最大地霜震响应捡发生在丢第4.锅6s；三通菊最大足应变壳达到0.穷29堆15贤%。Y向传灿播时未三通叹的应静变反园应时议程曲荒线埋地滑管道隶抗震跨设计胁上的寄考虑管道选催线时应散避开9度以上严的地震朗区；尽可都能避叙开断挥层、系滑坡尤、塌虫陷地奖区，速避开婚饱和蚂松散骄粉砂谅地段握；通过断述层区的使管道，申管道与迫地层尽茄可能只貌相交一灿次，不渗能与断汉层平行凯，与断叮层的夹朋角以30邪~8因0为宜，狼断层两径侧至少60旗m范围内问管道浅勉埋。通过液掀化区时三，必要铅时可改养在地上件敷设，改如果液赞化土较英浅，可晓在液化脖土层以墙下稳定染的土壤鲜中；在管道择出入地粒面部位乓，与三昌通、阀朱门和设监备等的青连接以药及软硬紧土