断层错动下管道抗震研究

断层错动下管道抗震研究
储阳华;娄彦鹏;张蹦蹦
【摘要】文中介绍了基于理论解析法、数值分析法的管道断层错动研究.理论解析法和数值分析法具有不同的适应环境,并不适用于所有的管道抗震研究.提出利用理
论解析法和数值分析法,充分考虑管道所处环境,对新建管道和已建管道进行抗震研究,以提高管道的整体抗震能力.
【期刊名称】《管道技术与设备》
【年(卷),期】2017(000)004
【总页数】4页(P11-14)
【关键词】管道;断层错动;理论解析法;数值分析法;抗震措施
【作者】储阳华;娄彦鹏;张蹦蹦
【作者单位】东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆 163318;东北石油大学
土木建筑工程学院,黑龙江大庆 163318;东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆 163318
【正文语种】中文
【中图分类】TE8
管道在石油、天然气等能源运输领域得到广泛应用，用于供水、供气、供油等作业。

埋地管道具有对坏境破坏小、污染小、作业费用低等优点。

保证管道的正常作业具有非常重要的意义。

20世纪70年代，全球发生多起大地震，使跨断层埋地管道发生严重破坏。

美国
圣费尔南多地震造成跨断层位置的管道破坏，严重影响了管道正常作业。

对于地下管道研究成为学者们关注的焦点。

对于跨断层埋地管道抗震研究方法，主要为理论研究。

1996年，N.M.Newmark[1]和W.J.Hall提出Newmark-Hall方法，该方法假设
管道埋在较浅的倾斜管沟内，模拟在断层错动下产生的位移，以此研究如何提高管道抗震性能。

R.P.Kennedy等[2-3]应用大绕度理论对Newmark-Hall法进行改进。

假设管线仅有拉伸广度的悬索。

假设变形位置由直线段和弯曲段组成，断层周围是弯曲段，远离断层为直线段。

此方法可计算平移断层临界位错量。

1985年，R.L.Wang和Y.H.Ye[4]提出断层远端管道用弹性地基梁模拟，断层周围变形用圆弧表示，断层近端用索模型，但圆弧段与锚固点之间则为一条指数衰减的正弦曲线。

Y. J. Chiou和S. Y. Chi[5]研究走滑断层处地下管线，将管线变形大的地方当做弹
性梁，管线其他地方假设为半无限大弹性地基梁，通过有限差分和Brent法求解，此外还分析了断层错动量、管径和埋置深度等参数。

刘爱文和张素灵[6]等在Newmark法和Kennedy法基础上提出适用于跨越走滑
断层地下管线地震反应的计算方法，假设断层远端管段为弹性地基梁，断层周围管段为均布载荷作用下的梁；假设管材应力应变本构关系为Ramberg-Osgood 模型，不考虑管道内压和温度的影响；假设断层两侧土质相同。

此方法得出断层在较小位移下不可将管道看做悬索模型研究。

V. Trifonov [7]提出活动断层地下钢质管道非线性应力-应变分析的半解析法，主
要研究结果为：通过引入轴向力计算断层两端大曲率管段的弯曲刚度；方程计算过程中演示了管道如何从梁到索；提出轴向力和弯曲刚度的关系参数；得出横断面位移和轴向应变之间的关系。

上述方法都是以索模型和梁模型为基础的研究方法，管材本构关系可用双折线模型、三折线模型、线弹性模型或者Ramberg-Osgood模型进行分析，这些方法
的不足之处：
(1)没有对跨越逆断层的管道屈曲进行计算；
(2)没有对非均匀土体作研究分析；
(3)无法研究管截面中的大变形情况，对于管道局部屈曲梁模型并不适用；
(4)断层错动量较大时，管道和土体在断层错动作用下会发生非线性变形，其理论
方法非常复杂。

随着计算机技术的迅速发展，研究者们将计算机和数值分析联系一起，通过数值模拟分析管道在地震作用下的反应。

通过数值模拟解决了理论解析法未解决的难题，此方法已经逐渐成熟。

S. Takada和J.W.Liang[8]引用壳模型，将断层错动下的管道简化为管-土弹簧模型，通过几何非线性有限元方法对管道在断层错动下的地震进行分析，同时对其他影响参数进行分析，比如断层类型、断层滑移角和管径等。

Rourke-Liu[9]通过数值模型分析跨断层埋地管道，找出管道受拉应力最大处，缺
点是无法对管道受压应力进行分析。

冯启民等[10]用四节点薄壳单元划分管道模型，管道长度为管径30倍，用弹塑性
弹簧代替土壤建模，建立管-土相互作用有限元模型，分析管道在内部压力和温度
等影响下产生的应力，通过有限元软件建模分析跨断层管道在断层发生大位移下的应力应变值。

S. Takada等[11]选用梁壳单元进行跨断层管道建模，第一次考虑到管道断面变形，建立弯曲角和管道拉压应变关系计算公式，得出通过Kennedy法所确定的管道轴向变形的弯曲点在计算管道弯曲角时为一个近似值；与管道与断层的交角相比，管道最大应变和弯曲角联系更加密切。

R. Z. Tohidi[12]等通过梁式单元建立管道模型，管道两侧土体假设为非线性弹簧
模拟，建立三维模型，研究跨断层管道其他影响参数，如管线和跨断层的交角以及断层错动量等参数。

G. Cocchetti等[13]将管道假设为壳结构，使用大、小位移法进行跨断层管道抗震研究，得出当管径足够大，影响参数分析无明显差距；当管径较小，通过小位移法进行跨断层管道抗震研究，此方法对容许断层错动量计算的结果过于保守。

Z. J. Jiao和J. Shuai等[14]研究管道埋深、土特性和管土非线性相互作用，通过
壳单元建立跨断层埋地管道模型，分析得出：埋地管道沿轴线方向应力分为弯曲应力和拉应力两部分；管道建模合理性的决定因素是管道与断层交角，90°为最佳穿越角；埋地管道的应力、应变和位移按特定规律分布。

薛景宏[15]提出土弹簧管道模型，跨断层管道近端土体采用实体单元建模，对于断层近端的管-土相互作用用接触模拟；远端管-土作用用等效非线性弹簧建模分析。

王滨[16]通过等效边界非线性弹簧分析管-土小变形部位在强化阶段时的本构关系，结合Kennedy法得出管-土等效模型计算长度，此方法节约了计算时间。

刘学杰等[17]提出断层错动下管道的应变设计方法，在建模中提出：对于埋地管道直管段处用梁单元建立模拟，断层近端处管道利用弯管建立模型，管-土相互作用
管用非线性土弹簧建立模型。

李鸿晶[18]利用薄壳单元建立埋地管道模型，断层周围土体选取实体单元建立模型，管-土相互作用为非线性接触，对土体施加线性位移模拟断层错动发生的位移，分
析管道的应力应变，对管道两侧土体，管道、管-土相互作用进行数值模拟分析。

樊恒[19]提出了通过应变设计管道抗震可靠度直接计算方法。

曹文冉[20]提出了海底管道抗震研究软件并应用。

这种软件可以进行地震响应分析、穿越断层分析和时程分析。

娄彦鹏[21]对跨断层埋地变径管道进行抗震分析，在跨断层处通过使用2种不同直
径的管道来提高管道的抗震能力。

陶凯尔[22]分析了埋地管道抗震可靠度，在 ADINA 软件的基础上建立跨断层埋地管道模型，对跨断层埋地管道动力响应进行统计得到其概率统计参数，完成结构可靠度分析。

郑伟[23]在应变的基础上对穿越跨断层管道进行抗震研究，分别建立4种单元模型，通过有限元软件模拟分析最后的数据差异性和软件计算效率。

慕园[24]通过ABAQUS分析管道穿越跨断层的破坏，通过ABAQUS模拟分析管
土相互作用，对于断层处的管道选用管单元，土壤用土弹簧模拟，通过模拟分析管道虽然发生了塑性变形，但并没有完全破坏。

对于断层错动下管道抗震研究的历程分析可知，地下管道最初是建立线弹性模型，发展到现在非线性壳单元模型。

对于选取梁单元或者壳单元都有各自优势，梁单元建立模型结构简单，计算量小；壳单元模型分析复杂，运算量大，但对于埋地管道屈曲变形可以进行建模分析。

因此，要根据研究目的选择单元。

关于断层错动地下管道的研究经历了半理论、半经验分析方法阶段，最后发展到将理论和数值模拟联系起来，通过计算机进行大数据分析。

对于跨断层管道抗震措施，主要从已建和新建管道进行研究。

跨断层新建管道采取抗震措施[25]从管道穿越位置、管道与断层角度、管沟敷设、管土摩擦系数、管道直径、管道埋置深度、管套选取等考虑；对于已建管道，通过降低管土之间的相互作用提高抗震能力，例如选择松散的土质回填、管道浅埋、管道不埋、为管道设置管套等。

除此以外，举出常用的跨断层管道的抗震措施。

当管道必须通过活动断层时，需要根据活动断层文献和地震安全性评价进行抗震设计，选择合理的管道-断层夹角。

由于长距离管线避开活动断层非常困难，应了解
断层走向，通过选择合理的管道和断层的交角，这可以使得管道避免受到断层错动带来的压力。

当管道埋置较浅时，土体对管道的压力和摩擦角都减小，此时在断层错动下管道易发生变形，但不易破坏。

对于会发生大位移错动的断层处，通过砌筑管沟或地表敷设，同时保证管道可以做横向振动和纵向振动。

对于活动断层处管道的埋置深度应小于10 m[26]。

减小管土接触面摩擦角可提高埋地管线承受断层大位移的能力，
减小管土摩擦角的方法有多种，比如将环氧树脂套层用于断层处的管道。

在水平荷载的作用下会使沙土被压实，在这一过程中，管土间的摩擦角在不断增加，其所带来的最大管力和沙土对管道产生的压力相同。

故减小摩擦角是有必要且有效的措施，减少摩擦角在土壤对管道轴向抗力方向作用明显，对于管道圆周方向抗力改变较小。

抗震性能好的管材，材料延性好，其可承受较大的允许拉应变。

由于管道的压缩允许应变值和壁厚是正比例关系，故选择延性好的管道。

通过增加管道厚度，可提高管道抗震性能。

例如，厚度为14 mm管道适应断层错动的能力是厚度为10 mm
管道的1.4倍。

通常认为，管线穿越活动断层处选用的回填土应为中等密度和无黏性的土壤。

将固定墩设置在远离活动断层处，每侧至少距离断层1.5 Le (Li)～ 2.0 Le (Li)，其中，Le为管道弹性部分的滑动长度，Li为断层一侧管道的滑动长度[27]。

当管道
拥有一定范围的允许错动位移，可以避免管道发生横向剪切破坏。

本文介绍了跨断层埋地管道的抗震研究方法，比较了关于埋地管道抗震研究方法的成果，最后总结了常用的管道抗震措施。

提出下一步研究方向：
(1)对于管-土相互作用，提出更加适用于实际的接触模型；
(2)断层错动下管道抗震研究，应该综合考虑各方面因素共同作用。

比如地震波和
地面永久荷载共同作用。

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