管道第五章之管道的抗震設(shè)計(jì)計(jì)算50

第五章管管道抗震震設(shè)計(jì)計(jì)算算地震是最嚴(yán)嚴(yán)重的自然然災(zāi)害之一一，例：1923年日本關(guān)東東大地震，，震級(jí)7.9級(jí)，震中烈烈度11度，距震中中90公里的橫濱濱市幾乎被被化為廢墟墟，東京被被燒掉三分分之二，死死亡近十萬萬人；1960年智利大地地震，震級(jí)級(jí)8.9級(jí)，震中烈烈度11度，引起地地面下沉、、滑坡塌方方、火山爆爆發(fā)、海嘯嘯，沿海一一帶的城鎮(zhèn)鎮(zhèn)、港口等等大都被海海浪沖走或或陷入海里里；1976年的唐山大大地震，震震級(jí)7.8級(jí)，震中烈烈度11度，唐山市市房屋絕大大部分倒塌塌。2008年的汶川大大地震，震震級(jí)8.0級(jí)，震中烈烈度11度，汶川大大地震是中中國(guó)一九四四九年以來來破壞性最最強(qiáng)、波及及范圍最大大的一次地地震。全世界平均均每年發(fā)生生5級(jí)以上的地地震130次。地震使管道道破壞并產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重的的次生災(zāi)害害地震對(duì)管道道的影響：：斷層土壤液化地面波動(dòng)管道抗震的的設(shè)計(jì)規(guī)定定：設(shè)防地地震動(dòng)峰加加速度為0.1~0.15g以上（地震震烈度為七七度）。5-1工程抗震常常識(shí)1、地震波地震時(shí)，地地下積蓄的的變形能量量以波的形形式釋放，，從震源向向四周傳播播。地震波主要要分為體波波和面波。。體波主要有有兩種成分分：壓縮波（P波）：又稱縱波波或疏密波波，其質(zhì)點(diǎn)點(diǎn)的振動(dòng)方方向與波的的前進(jìn)方向向一致，可可在固體或或液體中傳傳播。其特特點(diǎn)是周期期短、振幅幅小。剪切波（S波）：又稱橫波波或等容波波，其介質(zhì)質(zhì)的振動(dòng)方方向與波的的前進(jìn)方向向垂直，僅僅能在固體體中傳播。。其特點(diǎn)是是周期較長(zhǎng)長(zhǎng)、振幅大大。壓縮波比剪剪切波的傳傳播速度高高。P波和S波示意ab壓縮未擾動(dòng)介質(zhì)P波S波波長(zhǎng)膨脹兩倍波幅面波——樂甫波(L波)和瑞利波(R波)當(dāng)體波從基基巖傳播到到上層土?xí)r時(shí)，經(jīng)分層層地質(zhì)界面面的多次反反射和折射射，在地表表面形成的的一種次生生波。地震時(shí)，壓壓縮波最先先到達(dá)，然然后是剪切切波，再后后是面波。。2、震級(jí)指在一次地地震中地殼殼所釋放出出來的能量量。釋放的的能量越多多，震級(jí)越越大；地震的震級(jí)級(jí)一般采用用里氏（里里克特Richter）震級(jí)；一個(gè)6級(jí)地震釋放放的能量相相當(dāng)于一個(gè)個(gè)2萬噸級(jí)的原原子彈；地震對(duì)地面面的影響程程度與許多多因素有關(guān)關(guān)，除了震震級(jí)以外，，還與震源源深度、震震中距等因因素有關(guān)。。3、烈度地震烈度是是指某一個(gè)個(gè)地區(qū)、地地面及房屋屋建筑等工工程結(jié)構(gòu)遭遭受到一次次地震影響響的強(qiáng)烈程程度。一次地震對(duì)對(duì)于不同的的地區(qū)有多多個(gè)烈度，，即地震烈烈度。震級(jí)與烈度度不能混淆淆。如唐山地震震，震級(jí)7.8級(jí)，震源深深度12~16km，震中烈度度11度，各地烈烈度如下:烈度范圍面積，km2

11度

10度

9度

8度

7度

唐山市古冶到豐南寧河、灤縣、漢沽天津市區(qū)北京市部分地區(qū)

27.53671800727033300我國(guó)采用12度地震烈度度法烈度I，在特別易于于感受的條條件下，只只有少數(shù)人人才能感覺覺到；烈度II，只有在建建筑物上層層部位靜止止著的人們們方能感覺覺到，易于于擺動(dòng)的懸懸吊物有搖搖擺現(xiàn)象；；烈度III，在建筑物物上層部位位的多數(shù)人人可感覺到到，但大部部分人不認(rèn)認(rèn)為是地震震。停著的的汽車輕微微擺動(dòng)，有有如卡車經(jīng)經(jīng)過時(shí)的震震動(dòng)，可測(cè)測(cè)知其持續(xù)續(xù)時(shí)間。烈度IV，白天室內(nèi)內(nèi)多數(shù)人，，室外少數(shù)數(shù)人可感知知，盤碟、、門窗搖動(dòng)動(dòng)，墻壁作作響，有如如重卡車碰碰撞建筑物物的感覺，，停著的汽汽車相當(dāng)搖搖動(dòng)；烈度V，人人可感感知，多數(shù)數(shù)人睡中醒醒來，窗玻玻璃有搖動(dòng)動(dòng)，灰泥抹抹面裂縫，，放置不穩(wěn)穩(wěn)的器物傾傾倒，電線線桿、樹木木、塔狀體體的搖動(dòng)有有時(shí)可見，，鐘表停擺擺；烈度VI，人人受驚驚，跑出室室外，重家家具移動(dòng)，，灰泥抹面面有脫落，，煙窗有傾傾倒，稍有有受災(zāi)；烈度VII，人人都跑跑出室外，，質(zhì)量好的的建筑物幾幾乎不受損損害，一般般的則有若若干受災(zāi)，，質(zhì)量不好好的有顯著著受災(zāi)。煙煙窗折斷，，人在行駛駛著的汽車車中也可感感受到地震震；烈度VIII，質(zhì)量量好的的建筑筑物也也受有有或多多或少少的災(zāi)災(zāi)害，，一般般的建建筑物物有相相當(dāng)?shù)牡臑?zāi)害害，且且有一一部分分倒塌塌。質(zhì)質(zhì)量不不好的的建筑筑物遭遭受大大的破破壞，，貼板板墻面面錯(cuò)動(dòng)動(dòng)脫落落，煙煙窗、、柱、、紀(jì)念念碑、、墻壁壁傾倒倒。泥泥沙少少量噴噴出，，井水水發(fā)生生變化化，汽汽車行行駛有有障礙礙；烈度IX，質(zhì)量量好的的建筑筑物也也有相相當(dāng)?shù)牡恼鸷Γńㄖ镂?、?gòu)構(gòu)筑物物的基基礎(chǔ)錯(cuò)錯(cuò)位偏偏移，，地面面裂開開，地地下埋埋設(shè)管管道破破壞。。烈度X，質(zhì)量量好的的木造造房屋屋倒塌塌，多多數(shù)磚磚石結(jié)結(jié)構(gòu)和和架橋橋結(jié)構(gòu)構(gòu)連同同基礎(chǔ)礎(chǔ)一起起遭到到破壞壞，地地面開開裂，，鋼軌軌彎曲曲，斜斜坡與與堤防防滑移移；烈度XI，磚石石結(jié)構(gòu)構(gòu)幾乎乎全部部倒塌塌，橋橋梁破破壞。。地面面全面面出現(xiàn)現(xiàn)裂縫縫，地地下埋埋設(shè)管管道不不能使使用，，軟弱弱地基基發(fā)生生滑移移，鋼鋼軌顯顯著彎彎曲。。烈度XII，全部部遭到到震災(zāi)災(zāi)，地地面波波動(dòng)傳傳播可可知，，地形形變動(dòng)動(dòng)，物物體被被拋起起來。。也可根根據(jù)最最大加加速度度來確確定地地震烈烈度美國(guó)地地震烈烈度表表烈度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基本烈烈度基本烈烈度是是指某某地區(qū)區(qū)在今今后一一定時(shí)時(shí)間內(nèi)內(nèi)，在在一般般場(chǎng)地地條件件下可可能遭遭受的的最大大地震震烈度度。按照國(guó)國(guó)家地地震局局頒布布的《中國(guó)地地震烈烈度區(qū)區(qū)劃圖圖》，全國(guó)國(guó)分為為：五五度、、六度度、七七度、、八度度、九九度共共五個(gè)個(gè)區(qū)。。基本烈烈度本地震震烈度度區(qū)劃劃圖上上所標(biāo)標(biāo)示的的地震震烈度度值，，系指指在50年期限限內(nèi)，，一般般場(chǎng)地地條件件下，，可能能遭遇遇超越越概率率為10%的烈度度值。?？拐鹪O(shè)設(shè)防烈烈度抗震設(shè)設(shè)防烈烈度是是按國(guó)國(guó)家規(guī)規(guī)定的的權(quán)限限批準(zhǔn)準(zhǔn)作為為一個(gè)個(gè)地區(qū)區(qū)抗震震設(shè)防防依據(jù)據(jù)的地地震烈烈度。。我國(guó)抗抗震設(shè)設(shè)防范范圍為為七、、八、、九度度。九九度以以上的的地區(qū)區(qū)不宜宜建包包括油油罐在在內(nèi)的的工業(yè)業(yè)設(shè)施施。5-2場(chǎng)地及及地基基土類類別的的劃分分震害表表明，，同一一烈度度區(qū)內(nèi)內(nèi)，局局部土土質(zhì)條條件不不同，，建筑筑物的的破壞壞程度度差異異很大大。對(duì)地面面運(yùn)動(dòng)動(dòng)的影影響：：軟弱弱地基基與堅(jiān)堅(jiān)硬地地基相相比，，前者者的地地面卓卓越周周期長(zhǎng)長(zhǎng)，振振幅較較大，，振動(dòng)動(dòng)持續(xù)續(xù)時(shí)間間較長(zhǎng)長(zhǎng)；對(duì)地基基的穩(wěn)穩(wěn)定和和變形形的影影響：：軟弱弱地基基易產(chǎn)產(chǎn)生不不穩(wěn)定定狀態(tài)態(tài)和不不均勻勻沉降降，甚甚至發(fā)發(fā)生液液化、、滑坡坡、開開裂等等嚴(yán)重重現(xiàn)象象，而而堅(jiān)硬硬地基基則很很少有有這種種危險(xiǎn)險(xiǎn)；改變建建（構(gòu)構(gòu)）筑筑物的的動(dòng)力力特性性：軟軟弱地地基對(duì)對(duì)上部部結(jié)構(gòu)構(gòu)有增增長(zhǎng)周周期、、改變變振型型和增增大阻阻尼的的作用用。各類地地段的的劃分分類型地質(zhì)、地形、地貌有利地段堅(jiān)硬土或開闊平坦均實(shí)的中硬土等不利地段軟弱土，液化土，條狀突出的山嘴，高聳孤立的山丘，非巖質(zhì)的陡坡，河岸和邊坡邊緣，平面分布上成因、巖性、狀態(tài)明顯不均勻的土層（如故河道、斷層破裂帶、暗埋的塘浜溝谷及半填半挖地基）危險(xiǎn)地段地震時(shí)可能發(fā)生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等及發(fā)震斷裂帶上可能發(fā)生地表位錯(cuò)的部位場(chǎng)地土土的劃劃分場(chǎng)地土類型土層剪切波速（m/s）堅(jiān)硬場(chǎng)地土vs>500中硬場(chǎng)地土500≥vs>250中軟場(chǎng)地土250≥vs>140軟弱場(chǎng)地土vs≤140近、遠(yuǎn)震場(chǎng)地類別IIIIIIIV近震0.200.300.400.65遠(yuǎn)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強(qiáng)度度減少少甚至至完全全喪失失，管管道由由于支支承喪喪失甚甚至還還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變形形而破破壞。。砂土液液化的的概念念：““液化化是使使任何何物質(zhì)質(zhì)轉(zhuǎn)化化為液液體狀狀態(tài)的的行為為過程程。就就無粘粘性土土而言言，這這種由由固體體狀態(tài)態(tài)變?yōu)闉橐后w體狀態(tài)態(tài)的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化是是孔隙隙水壓壓力增增大和和有效效應(yīng)力力減小小的結(jié)結(jié)果””。影響砂砂土液液化的的主要要因素素砂土的的粒度度組成成均勻的的級(jí)配配易于于產(chǎn)生生液化化，就就細(xì)砂砂和粗粗砂而而言，，細(xì)砂砂的滲滲透性性比粗粗砂低低，細(xì)細(xì)砂比比粗砂砂更易易液化化。砂土的的密度度疏松的的砂，，孔隙隙大，，易于于液化化，密密實(shí)的的砂則則抗液液化。。砂層的的有效效覆蓋蓋壓力力覆蓋土土層越越厚，，就相相當(dāng)密密閉容容器的的耐壓壓強(qiáng)度度越高高，從從而減減輕了了砂土土液化化對(duì)工工程結(jié)結(jié)構(gòu)的的影響響。地震的的烈度度和持持續(xù)的的時(shí)間間砂土能能否液液化，，由地地震所所引起起的土土體內(nèi)內(nèi)最大大剪應(yīng)應(yīng)力的的情況況和持持續(xù)作作用的的時(shí)間間來決決定5-4跨越斷斷層管管道的的抗震震設(shè)計(jì)計(jì)斷層是是兩部部分地地殼板板塊之之間擠擠壓而而導(dǎo)致致斷裂裂面，，并沿沿該斷斷裂面面發(fā)生生相對(duì)對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)；斷層類類型有有三種種：走滑斷斷層——主要運(yùn)運(yùn)動(dòng)發(fā)發(fā)生在在水平平面；；正斷層層——正斷層層使管管道承承受拉拉伸變變形；；逆斷層層——逆斷層層使管管道承承受壓壓縮變變形。。斷層對(duì)對(duì)管道道的作作用：：破壞模模式三種可可能的的破壞壞模式式：拉拉裂、、局部部屈曲曲和梁梁式屈屈曲埋地鋼鋼管在在穿越越正斷斷層或或以90的交角角穿越越走滑滑斷層層時(shí)，，主要要承受受拉力力，破破壞模模式為為拉裂裂。通通常極極限拉拉應(yīng)變變?nèi)?%，大于于該值值即認(rèn)認(rèn)為管管道已已發(fā)生生拉裂裂破壞壞。地下管管道穿穿越逆逆斷層層或以以>90的交角角穿越越走滑滑斷層層時(shí)，，主要要承受受壓力力，其其可能能的破破壞模模式包包括局局部屈屈曲和和梁式式屈曲曲。應(yīng)力-應(yīng)變曲曲線描述管管道屈屈服后后的應(yīng)應(yīng)力-應(yīng)變特特性，，可采采用Ramberg-Osgood建議的的關(guān)系系式：：式中，，是工程程應(yīng)變變，是軸拉拉應(yīng)力力，E是彈性性模量量，y是屈服服應(yīng)力力,n和r是Ramberg-Osgood參數(shù)。。應(yīng)變控控制管道的的設(shè)計(jì)計(jì)允許許應(yīng)變變和荷荷載組組合受拉受壓海底管道1%0.5%陸上管道4%0.35t/D荷載組合可只考慮斷層位移斷層位移+溫度+內(nèi)壓1國(guó)內(nèi)外外研究究現(xiàn)狀狀理論模模型（1）Newmark-Hall模型；；（2）Kennedy模型；；（3）王汝汝梁模模型；；（4）劉愛文模模型。存在問題：：不適合管管道受壓情情況，且不不能體現(xiàn)管管截面的大大變形情況況。有限元模型型管土相互作作用采用土土彈簧模擬擬，土彈簧簧剛度確定定（ASCE指南）存在問題：：土彈簧剛剛度未考慮慮管溝參數(shù)數(shù)及管溝內(nèi)內(nèi)外土壤特特性不同的的情況。認(rèn)為管子變變形為一條條直線，管管道的最大大應(yīng)力及最最大應(yīng)變均均在與斷層層的相交處處，并且只只考慮軸向向摩擦力，，忽略管子子的彎曲剛剛度和周圍圍土體的側(cè)側(cè)向作用力力，管材應(yīng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線采采用三折線線模型。該該方法得到到的結(jié)果偏偏于不安全全。三點(diǎn)改進(jìn)：：(1)把管子變形形分段即用用圓弧和直直線分別模模擬在斷層層附近和離離斷層較遠(yuǎn)遠(yuǎn)的管段變變形；(1)在斷層附近近考慮周圍圍土體的側(cè)側(cè)向作用力力；(3)管材應(yīng)力-應(yīng)變曲線采采用Ramberg-Osgood模型。但由由于該方法法同樣忽略略了管子的的彎曲剛度度，其計(jì)算算結(jié)果多數(shù)數(shù)情況下偏偏于保守。。考慮了管子子的彎曲剛剛度，離斷斷層較遠(yuǎn)的的管道變形形不再是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單的直線線而是采用用彈性地基基梁的變形形曲線模擬擬，將斷層層附近管子子的變形假假定為梁的的撓曲線，，并得出管管道的最大大應(yīng)力及最最大應(yīng)變不不一定在與與斷層的相相交處，而而可能是在在斷層附近近某個(gè)點(diǎn)上上的結(jié)論。?？紤]了剪力力連續(xù)的邊邊界條件，，管材應(yīng)力力-應(yīng)變曲線采采用Ramberg-Osgood模型，提出出一種可以以把Newmark方法和Kennedy方法作為特特例包容進(jìn)進(jìn)去的新方方法。2基于應(yīng)變的的穿越活動(dòng)動(dòng)斷層埋地地管道抗震震設(shè)計(jì)方法法研究管線變形后形狀有限元模型型管土相互作作用采用土土彈簧模擬擬土彈簧剛度度確定（考考慮管溝影影響）2.1考慮管溝敷敷設(shè)參數(shù)的的土彈簧剛剛度計(jì)算方方法管軸方向—ASCE指南水平和垂直直方向—實(shí)際管溝截截面內(nèi)的平平面應(yīng)變有有限元分析析管道穿越斷斷層的相交交角度為，斷層傾角角為。管道穿越越水平位移移為s的走滑斷層層時(shí)，沿管管道的軸向向位移分量量x和側(cè)向位移移分量y分別為：管道穿越垂垂直位移為為p的正斷層和和逆斷層時(shí)時(shí)，沿管道道的水平分分量x、水平側(cè)向向分量y和豎直分量量z分別為：式中，p對(duì)正斷層取取正值，對(duì)對(duì)逆斷層取取負(fù)值。s對(duì)右旋走滑滑斷層取正正值，對(duì)左左旋走滑斷斷層取負(fù)值值。2.2斷層位移預(yù)預(yù)測(cè)管道模型——ELBOW單元管材模型——R-O本構(gòu)關(guān)系管-土作用模型型——PSI單元單元?jiǎng)偠取茌S方向：：ASCE指南水水平和和垂直方向向：實(shí)際管管溝截面內(nèi)內(nèi)的平平面面應(yīng)變有限限元分析載荷條件——斷層位移環(huán)向全殼積積分，準(zhǔn)確確描述管道道等薄壁結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜變變形，適于于管道截面面橢圓化、、扭曲或翹翹曲等問題題，內(nèi)壓、、溫度2.3活動(dòng)斷層層區(qū)埋地地管道力力學(xué)分析析模型算例——西氣東輸輸二線管道1219×22mm，埋深2.5m，內(nèi)壓12MPa；管材X80，彈性模量

MPa。管溝管溝底寬1.8m；管溝坡度1：10。

土體管溝土：砂土，密度18KN/m3，內(nèi)摩擦角30°，彈性模量30MPa。周圍土：21.8m×13.3m，彈性模量500MPa。①管道主主要受軸軸向壓應(yīng)應(yīng)力作用用；②管道最最大應(yīng)變變出現(xiàn)在在斷層兩兩側(cè)20米范圍內(nèi)內(nèi)，0.65%。2.4穿越活動(dòng)動(dòng)斷層埋埋地管道道應(yīng)變的的影響因因素分析析斷層逆斷層，穿越角度40°，斷層傾角45°，垂直位移1.41m。西氣東輸輸二線強(qiáng)強(qiáng)震區(qū)和和活動(dòng)斷斷層段埋埋地管道道基于應(yīng)應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)計(jì)導(dǎo)則容許拉伸伸應(yīng)變?nèi)菰S壓縮縮應(yīng)變2.4穿越活動(dòng)動(dòng)斷層埋埋地管道道應(yīng)變的的影響因因素分析析2.4穿越活動(dòng)動(dòng)斷層埋埋地管道道應(yīng)變的的影響因因素分析析優(yōu)選由以上分分析可知知，該埋埋地管道道的最佳佳交角為為10°；最佳埋埋深為1.8m；最佳溝溝寬為1.9m；安全壁壁厚為26.4mm。管道最大大壓縮應(yīng)應(yīng)變由0.65%降低到0.22%，降低了了66.15%。2.4穿越活動(dòng)動(dòng)斷層埋埋地管道道應(yīng)變的的影響因因素分析析抗震措施施優(yōu)先順順序：選擇管道道穿越活活動(dòng)斷層層的有利利走向降低管土土相互作作用（管管溝尺寸寸、埋深深、回填填土特性性）增加管道道壁厚5-5地震波動(dòng)動(dòng)作用下下管道的的應(yīng)力與與應(yīng)變1.地面變形形工程上把把地震波波視為平平面簡(jiǎn)諧諧波，波波動(dòng)方程程為任何復(fù)雜雜波均由由簡(jiǎn)諧波波迭加而而成。管道在地地震時(shí)將將伴隨周周圍土體體一起變變形分別由縱縱波和橫橫波確定定管道的的縱向和和橫向變變形其中:最大地面面運(yùn)動(dòng)加加速度令:其中:縱向和橫橫向變形形2.地震波動(dòng)動(dòng)時(shí)管道道的應(yīng)力力根據(jù)地面面運(yùn)動(dòng)，，確定管管道應(yīng)力力。地震應(yīng)力力迭加后后的總的的軸向應(yīng)應(yīng)力值是是否超過過s，值得考考慮。理論方法法（1）擬靜力力近似分分析方法法（最早早由Newmark提出）；；（2）反應(yīng)位位移方法法（由日日本學(xué)者者20世紀(jì)70年代提出出）；（3）輸油(氣)鋼質(zhì)管道道抗震設(shè)設(shè)計(jì)規(guī)范范法（SY/T0450-2004）；（4）運(yùn)動(dòng)-變形分析析法（在在前幾種種方法的的基礎(chǔ)上上發(fā)展的的，更準(zhǔn)準(zhǔn)確的反反映了地地震波對(duì)對(duì)管道的的作用））。反應(yīng)位移移方法（由日本本學(xué)者20世紀(jì)70年代提出出）輸油(氣)鋼質(zhì)管道道抗震設(shè)設(shè)計(jì)規(guī)范范法（SY/T0450-2004）場(chǎng)地類型堅(jiān)硬一般軟弱剪切波速C(m/s)500300140特征周期Tg(s)一組0.250.350.45二組0.30.40.55三組0.350.450.75運(yùn)動(dòng)-變形分析析法（在前幾幾種方法法的基礎(chǔ)礎(chǔ)上發(fā)展展的，更更準(zhǔn)確的的反映了了地震波波對(duì)管道道的作用用）Ⅷ度的EL-centro地震波；；地震波沿沿著Y向支管傳傳播；最大地震震響應(yīng)發(fā)發(fā)生在第第4.6s；三通最大大應(yīng)變達(dá)達(dá)到0.2915%。Y向傳播時(shí)時(shí)三通的的應(yīng)變反反應(yīng)時(shí)程程曲線埋地管道道抗震設(shè)設(shè)計(jì)上的