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第五章管道抗震設計計算 地震是最嚴重的自然災害之一 例 1923年日本關東大地震 震級7 9級 震中烈度11度 距震中90公里的橫濱市幾乎被化為廢墟 東京被燒掉三分之二 死亡近十萬人 1960年智利大地震 震級8 9級 震中烈度11度 引起地面下沉 滑坡塌方 火山爆發(fā) 海嘯 沿海一帶的城鎮(zhèn) 港口等大都被海浪沖走或陷入海里 1976年的唐山大地震 震級7 8級 震中烈度11度 唐山市房屋絕大部分倒塌 2008年的汶川大地震 震級8 0級 震中烈度11度 汶川大地震是中國一九四九年以來破壞性最強 波及范圍最大的一次地震 全世界平均每年發(fā)生5級以上的地震130次 1 地震使管道破壞并產生嚴重的次生災害 2 地震對管道的影響 斷層土壤液化地面波動管道抗震的設計規(guī)定 設防地震動峰加速度為0 1 0 15g以上 地震烈度為七度 3 5 1工程抗震常識 1 地震波地震時 地下積蓄的變形能量以波的形式釋放 從震源向四周傳播 地震波主要分為體波和面波 體波主要有兩種成分 壓縮波 P波 又稱縱波或疏密波 其質點的振動方向與波的前進方向一致 可在固體或液體中傳播 其特點是周期短 振幅小 剪切波 S波 又稱橫波或等容波 其介質的振動方向與波的前進方向垂直 僅能在固體中傳播 其特點是周期較長 振幅大 壓縮波比剪切波的傳播速度高 4 P波和S波示意 5 面波 樂甫波 L波 和瑞利波 R波 當體波從基巖傳播到上層土時 經分層地質界面的多次反射和折射 在地表面形成的一種次生波 地震時 壓縮波最先到達 然后是剪切波 再后是面波 6 2 震級 指在一次地震中地殼所釋放出來的能量 釋放的能量越多 震級越大 地震的震級一般采用里氏 里克特Richter 震級 一個6級地震釋放的能量相當于一個2萬噸級的原子彈 地震對地面的影響程度與許多因素有關 除了震級以外 還與震源深度 震中距等因素有關 7 3 烈度 地震烈度是指某一個地區(qū) 地面及房屋建筑等工程結構遭受到一次地震影響的強烈程度 一次地震對于不同的地區(qū)有多個烈度 即地震烈度 震級與烈度不能混淆 8 如唐山地震 震級7 8級 震源深度12 16km 震中烈度11度 各地烈度如下 9 我國采用12度地震烈度法 烈度I 在特別易于感受的條件下 只有少數人才能感覺到 烈度II 只有在建筑物上層部位靜止著的人們方能感覺到 易于擺動的懸吊物有搖擺現(xiàn)象 烈度III 在建筑物上層部位的多數人可感覺到 但大部分人不認為是地震 停著的汽車輕微擺動 有如卡車經過時的震動 可測知其持續(xù)時間 烈度IV 白天室內多數人 室外少數人可感知 盤碟 門窗搖動 墻壁作響 有如重卡車碰撞建筑物的感覺 停著的汽車相當搖動 10 烈度V 人人可感知 多數人睡中醒來 窗玻璃有搖動 灰泥抹面裂縫 放置不穩(wěn)的器物傾倒 電線桿 樹木 塔狀體的搖動有時可見 鐘表停擺 烈度VI 人人受驚 跑出室外 重家具移動 灰泥抹面有脫落 煙窗有傾倒 稍有受災 烈度VII 人人都跑出室外 質量好的建筑物幾乎不受損害 一般的則有若干受災 質量不好的有顯著受災 煙窗折斷 人在行駛著的汽車中也可感受到地震 11 烈度VIII 質量好的建筑物也受有或多或少的災害 一般的建筑物有相當的災害 且有一部分倒塌 質量不好的建筑物遭受大的破壞 貼板墻面錯動脫落 煙窗 柱 紀念碑 墻壁傾倒 泥沙少量噴出 井水發(fā)生變化 汽車行駛有障礙 烈度IX 質量好的建筑物也有相當的震害 建筑物 構筑物的基礎錯位偏移 地面裂開 地下埋設管道破壞 12 烈度X 質量好的木造房屋倒塌 多數磚石結構和架橋結構連同基礎一起遭到破壞 地面開裂 鋼軌彎曲 斜坡與堤防滑移 烈度XI 磚石結構幾乎全部倒塌 橋梁破壞 地面全面出現(xiàn)裂縫 地下埋設管道不能使用 軟弱地基發(fā)生滑移 鋼軌顯著彎曲 烈度XII 全部遭到震災 地面波動傳播可知 地形變動 物體被拋起來 13 也可根據最大加速度來確定地震烈度 美國地震烈度表 14 基本烈度 基本烈度是指某地區(qū)在今后一定時間內 在一般場地條件下可能遭受的最大地震烈度 按照國家地震局頒布的 中國地震烈度區(qū)劃圖 全國分為 五度 六度 七度 八度 九度共五個區(qū) 15 基本烈度 本地震烈度區(qū)劃圖上所標示的地震烈度值 系指在50年期限內 一般場地條件下 可能遭遇超越概率為10 的烈度值 16 抗震設防烈度 抗震設防烈度是按國家規(guī)定的權限批準作為一個地區(qū)抗震設防依據的地震烈度 我國抗震設防范圍為七 八 九度 九度以上的地區(qū)不宜建包括油罐在內的工業(yè)設施 17 5 2場地及地基土類別的劃分 震害表明 同一烈度區(qū)內 局部土質條件不同 建筑物的破壞程度差異很大 對地面運動的影響 軟弱地基與堅硬地基相比 前者的地面卓越周期長 振幅較大 振動持續(xù)時間較長 對地基的穩(wěn)定和變形的影響 軟弱地基易產生不穩(wěn)定狀態(tài)和不均勻沉降 甚至發(fā)生液化 滑坡 開裂等嚴重現(xiàn)象 而堅硬地基則很少有這種危險 改變建 構 筑物的動力特性 軟弱地基對上部結構有增長周期 改變振型和增大阻尼的作用 18 各類地段的劃分 19 場地土的劃分 特征周期 20 5 3砂土的地震液化 液化使土壤強度減少甚至完全喪失 管道由于支承喪失甚至還可能受到液化土的浮力作用 引起管道上大的變形而破壞 砂土液化的概念 液化是使任何物質轉化為液體狀態(tài)的行為過程 就無粘性土而言 這種由固體狀態(tài)變?yōu)橐后w狀態(tài)的轉化是孔隙水壓力增大和有效應力減小的結果 21 影響砂土液化的主要因素 砂土的粒度組成均勻的級配易于產生液化 就細砂和粗砂而言 細砂的滲透性比粗砂低 細砂比粗砂更易液化 砂土的密度疏松的砂 孔隙大 易于液化 密實的砂則抗液化 砂層的有效覆蓋壓力覆蓋土層越厚 就相當密閉容器的耐壓強度越高 從而減輕了砂土液化對工程結構的影響 22 地震的烈度和持續(xù)的時間砂土能否液化 由地震所引起的土體內最大剪應力的情況和持續(xù)作用的時間來決定 23 5 4跨越斷層管道的抗震設計 斷層是兩部分地殼板塊之間擠壓而導致斷裂面 并沿該斷裂面發(fā)生相對運動 斷層類型有三種 走滑斷層 主要運動發(fā)生在水平面 正斷層 正斷層使管道承受拉伸變形 逆斷層 逆斷層使管道承受壓縮變形 斷層對管道的作用 24 破壞模式 三種可能的破壞模式 拉裂 局部屈曲和梁式屈曲埋地鋼管在穿越正斷層或以 90 的交角穿越走滑斷層時 主要承受拉力 破壞模式為拉裂 通常極限拉應變取4 大于該值即認為管道已發(fā)生拉裂破壞 地下管道穿越逆斷層或以 90 的交角穿越走滑斷層時 主要承受壓力 其可能的破壞模式包括局部屈曲和梁式屈曲 25 應力 應變曲線 描述管道屈服后的應力 應變特性 可采用Ramberg Osgood建議的關系式 式中 是工程應變 是軸拉應力 E是彈性模量 y是屈服應力 n和r是Ramberg Osgood參數 26 應變控制 管道的設計允許應變和荷載組合 27 1國內外研究現(xiàn)狀 理論模型 1 Newmark Hall模型 2 Kennedy模型 3 王汝梁模型 4 劉愛文模型 存在問題 不適合管道受壓情況 且不能體現(xiàn)管截面的大變形情況 有限元模型管土相互作用采用土彈簧模擬 土彈簧剛度確定 ASCE指南 存在問題 土彈簧剛度未考慮管溝參數及管溝內外土壤特性不同的情況 認為管子變形為一條直線 管道的最大應力及最大應變均在與斷層的相交處 并且只考慮軸向摩擦力 忽略管子的彎曲剛度和周圍土體的側向作用力 管材應力 應變曲線采用三折線模型 該方法得到的結果偏于不安全 三點改進 1 把管子變形分段即用圓弧和直線分別模擬在斷層附近和離斷層較遠的管段變形 1 在斷層附近考慮周圍土體的側向作用力 3 管材應力 應變曲線采用Ramberg Osgood模型 但由于該方法同樣忽略了管子的彎曲剛度 其計算結果多數情況下偏于保守 考慮了管子的彎曲剛度 離斷層較遠的管道變形不再是簡單的直線而是采用彈性地基梁的變形曲線模擬 將斷層附近管子的變形假定為梁的撓曲線 并得出管道的最大應力及最大應變不一定在與斷層的相交處 而可能是在斷層附近某個點上的結論 考慮了剪力連續(xù)的邊界條件 管材應力 應變曲線采用Ramberg Osgood模型 提出一種可以把Newmark方法和Kennedy方法作為特例包容進去的新方法 28 2基于應變的穿越活動斷層埋地管道抗震設計方法研究 有限元模型管土相互作用采用土彈簧模擬土彈簧剛度確定 考慮管溝影響 29 2 1考慮管溝敷設參數的土彈簧剛度計算方法 管軸方向 ASCE指南水平和垂直方向 實際管溝截面內的平面應變有限元分析 30 管道穿越斷層的相交角度為 斷層傾角為 管道穿越水平位移為 s的走滑斷層時 沿管道的軸向位移分量 x和側向位移分量 y分別為 管道穿越垂直位移為 p的正斷層和逆斷層時 沿管道的水平分量 x 水平側向分量 y和豎直分量 z分別為 式中 p對正斷層取正值 對逆斷層取負值 s對右旋走滑斷層取正值 對左旋走滑斷層取負值 2 2斷層位移預測 31 管道模型 ELBOW單元管材模型 R O本構關系管 土作用模型 PSI單元單元剛度 管軸方向 ASCE指南水平和垂直方向 實際管溝截面內的平面應變有限元分析載荷條件 斷層位移 環(huán)向全殼積分 準確描述管道等薄壁結構復雜變形 適于管道截面橢圓化 扭曲或翹曲等問題 內壓 溫度 2 3活動斷層區(qū)埋地管道力學分析模型 32 算例 西氣東輸二線 管道主要受軸向壓應力作用 管道最大應變出現(xiàn)在斷層兩側20米范圍內 0 65 2 4穿越活動斷層埋地管道應變的影響因素分析 33 34 西氣東輸二線強震區(qū)和活動斷層段埋地管道基于應變設計導則 容許拉伸應變 容許壓縮應變 35 2 4穿越活動斷層埋地管道應變的影響因素分析 36 2 4穿越活動斷層埋地管道應變的影響因素分析 37 優(yōu)選 由以上分析可知 該埋地管道的最佳交角為10 最佳埋深為1 8m 最佳溝寬為1 9m 安全壁厚為26 4mm 管道最大壓縮應變由0 65 降低到0 22 降低了66 15 2 4穿越活動斷層埋地管道應變的影響因素分析 抗震措施優(yōu)先順序 選擇管道穿越活動斷層的有利走向降低管土相互作用 管溝尺寸 埋深 回填土特性 增加管道壁厚 38 5 5地震波動作用下管道的應力與應變 1 地面變形工程上把地震波視為平面簡諧波 波動方程為 任何復雜波均由簡諧波迭加而成 39 管道在地震時將伴隨周圍土體一起變形 分別由縱波和橫波確定管道的縱向和橫向變形 其中 最大地面運動加速度 40 令 其中 縱向和橫向變形 41 2 地震波動時管道的應力 根據地面運動 確定管道應力 地震應力迭加后的總的軸向應力值是否超過 s 值得考慮 42 理論方法 1 擬靜力近似分析方法 最早由Newmark提出 2 反應位移方法 由日本學者20世紀70年代提出 3 輸油 氣 鋼質管道抗震設計規(guī)范法 SY T0450 2004 4 運動 變形分析法 在前幾種方法的基礎上發(fā)展的 更準確的反映了地震波對管道的作用 43 反應位移方法 由日本學者20世紀70年代提出 44 輸油 氣 鋼質管道抗震設計規(guī)范法 SY T0450 2004 45 運動 變形分析法 在前幾種方法的基礎上發(fā)展的 更準確的反映了地震波對管道的作用 46 度的EL centro地震波 地震波沿著Y向支管傳播 最大地震響應發(fā)生在第4 6s 三通最大應變達到0 2915 Y向傳播時三通的應變反應時程曲線 47 埋地管道抗震設計上的考慮 管道選線時應避開9度以上的地震區(qū) 盡可能避開斷層 滑坡 塌陷地區(qū) 避開飽和松散粉砂地段 通過斷層區(qū)的管道 管道與地層盡可能只相交一次 不能與斷層平行 與斷層的夾角以30 80 為宜 斷層兩側至少60m范圍內管道淺埋 通過液化區(qū)時 必要時可改在地上敷設 如果液化土較淺 可在液化土層以下穩(wěn)定的土壤中 在管道出入地面部位 與三通 閥門和設備等的連接以及軟硬土交錯部位 應采用柔性連接 48 本章小結 油氣管道的抗震設防烈度是七度 地震影響管道主要有三種作用 斷層錯動 土壤液化和地面振動 油氣輸送管道的抗震設計也是從這三個方面分別考慮 地震波是體波 縱波和橫波 此外 在地表面形成兩種形式的次生波 面波 樂甫波 L波 和瑞利波 R波 地震釋放的能量大小用震級表示 一般采用里氏震級 地震烈度是指某一個地區(qū) 地面及房屋建筑等工程結構遭受到一次地震影響的強烈程度 我國將地震 49 烈度分為12度 斷層是兩部分地殼板塊之間擠壓而導致斷裂面 并沿該斷裂面發(fā)生相對運動 斷層類型有三種 走滑斷層 正斷層和逆斷層 走滑斷層的主要運動發(fā)生在水平面 根據管道 斷層的相交角度不同 可導致管道拉伸或壓縮 正斷層和逆斷層的主要地層位移是在豎直方向 正斷層使管道承受拉伸變形 而逆斷層主要使管道承受壓縮變形 砂土液化使土壤強度減少甚至完全喪失 影響土壤液化的因素有 砂土的粒度組成 砂土的密度 砂層的有效覆蓋壓力 地震的烈度和持續(xù)的時間 根據地面在地震波作用下的運動計算管道的應力 50