第五章_管道的抗震设计计算

Kv Ka KH DL Kv

管线变形后形状
2.1 考虑管沟敷设参数的土弹簧刚度计算方法
•管轴方向—ASCE指南 •水平和垂直方向—实际管沟截面内的平面应变有限元分析
60000 40000 20000 0 -0.0010 -0.0005
力（N）
60000 40000
位移 （m）
力 (N)
20000 位移 (m) 0 -0.0010 0.0000 -20000 -40000 0.0010 0.0020 0.0030
• 断层对管道的作用：
破坏模式
三种可能的破坏模式：拉裂、局部屈曲和梁式屈曲
–埋地钢管在穿越正断层或以 90的交角穿越 走滑断层时，主要承受拉力，破坏模式为拉裂。 通常极限拉应变取4%，大于该值即认为管道已 发生拉裂破坏。
–地下管道穿越逆断层或以 > 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。
• 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。
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
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。
应变控制
• 管道的设计允许应变和荷载组合 受拉 海底管 道 陆上管 道 荷载组 合 1% 受压 0.5%
4%
0.35t/D
可只考虑断层位 断层位移+温度+内压 移
认为管子变形为一条直线，管道的最大 应力及最大应变均在与断层的相交处， 1 国内外研究现状 并且只考虑轴向摩擦力，忽略管子的弯 三点改进：(1)把管子变形分段即用圆 曲刚度和周围土体的侧向作用力，管材 理论模型 弧和直线分别模拟在断层附近和离断层 应力-应变曲线采用三折线模型。该方 （1）Newmark-Hall模型； 考虑了管子的弯曲刚度，离断层较远的 较远的管段变形；(1)在断层附近考虑 法得到的结果偏于不安全。 管道变形不再是简单的直线而是采用弹 （2）Kennedy模型； 周围土体的侧向作用力；(3) 管材应力考虑了剪力连续的边界条件，管材应力性地基梁的变形曲线模拟，将断层附近 （3）王汝梁模型； 应变曲线采用Ramberg-Osgood模型。 应变曲线采用Ramberg-Osgood模型， 管子的变形假定为梁的挠曲线，并得出 （4）刘爱文模型。 但由于该方法同样忽略了管子的弯曲刚 提出一种可以把Newmark方法和 管道的最大应力及最大应变不一定在与 度，其计算结果多数情况下偏于保守。 存在问题：不适合管道受压情况，且不能体现 Kennedy方法作为特例包容进去的新方 断层的相交处，而可能是在断层附近某 管截面的大变形情况。 个点上的结论。 法。
s
管道穿越垂直位移为p的正断层和逆断层时，沿管道的水平分 量x、水平侧向分量y和竖直分量z分别为：
x ＝ p co s sin y ＝ p co s co s z ＝ p sin
式中，p对正断层取正值， 对逆断层取负值。s对右旋 走滑断层取正值，对左旋走 滑断层取负值。
危险 地段
场地土的划分
场地土类型
坚硬场地土 中硬场地土
中软场地土 软弱场地土
土层剪切波速（m/s） vs>500
500≥vs>250
250≥vs>140 vs≤140
特征周期
近、远震 近震 远震
场地类别
I 0.20 0.25 II 0.30 0.40 III 0.40 0.55 IV 0.65 0.85
应力-应变曲线
描述管道屈服后的应力-应变特性，可采用 Ramberg-Osgood建议的关系式：
n 1 E 1 r y
r
式中， 是工程应变， 是轴拉应力，E 是弹 性模量，y 是屈服应力, n 和 r 是 RambergOsgood 参数。
• 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。
0.0000 -20000 -40000 -60000
0.0005
0.0010
横向土弹簧
-60000
垂向土弹簧
2.2 断层位移预测
管道穿越断层的相交角度为，断层倾角为。管道穿越水平位 移为s的走滑断层时，沿管道的轴向位移分量x和侧向位移分 量y 分别为： x = cos
y = - s sin
• 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。
本地震烈度区划图上所标示的地 基本烈度震烈度值，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。
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 有利 地段 不利 地段 地质、地形、地貌 坚硬土或开阔平坦均实的中硬土等 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） 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
–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
P波
压缩 未扰动介质
• 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；
• 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：
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 加速度 cm/s2 烈度 加速度 cm/s2 I <1.0 VI 21~44 II 1.0~2.1 VII 44~94 III 2.1~5.0 VIII 94~202 IV 5.0~10 IX 202~432 V 10~21 X >432
基本烈度
• 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
Y X Z Ka KH
R e v e r se
S tr ik e-slip P o ssib le V e rtic a l C om ponent
N orm al
P o ssib le S trik e-slip C om ponent
P o ssib le S trik e-slip C om ponent
有限元模型
管土相互作用采用土弹簧模拟，土弹簧刚 度确定（ASCE指南） 存在问题：土弹簧刚度未考虑管沟参数及管沟 内外土壤特性不同的情况。
Z
Y X Ka KH
Kv Ka KH DL Kv