地震液化区输气管道的应力反应分析研究

张思琦 张逸美

（中国石油集团工程设计有限责任公司 北京分公司，中国 北京100085）

土壤液化是强震区管道的主要危害之一。 一旦土壤发生液化，管道就如同漂浮在液体之中。输气管道由于重量较轻在液化区会发生上浮，当管道上浮位移较大时会使得管道产生较大的弯曲而失效。 本文基于非线性有限元软件ABAQUS 建立了液化区管道的有限元分析模型，给出了液化区管道应力的计算分析方法，对强震区管道的安全运行有着重要的实际意义。

1 液化区输气管道的受力形式

在工程实际中，土壤对管道的约束通常使用土弹簧来描述。 而土壤液化后其对管道的约束力也就大大减弱，工程中常常将液化区土弹簧弱化为原土弹簧的1/1000～1/3000。 从而可以得到液化区输气管道的受力状态如图1 所示，管道在液化区受到液化土浮力和重力的合力的抬升作用和弱化土弹簧的约束作用，而在非液化区受到正常土弹簧的约束作用。

图1 液化区输气管道示意图

液化区管道的浮力可根据下式求得：

非液化区土弹簧的大小可以根据ALA 《Guidelines for the design of buried pipelines》中给出的方法求得。

2 有限元分析模型

2.1 有限元模型描述

采用非线性有限元软件ABAQUS 建立有限元分析模型， 管道采用PIPE31 单元离散， 单元长度为0.5m， 对两侧非液化区管道各取500m。 土壤对管道的作用使用一系列离散土弹簧表示， 本模型采用ABAQUS 软件提供的PSI 单元模拟土弹簧。 其中将液化区的土弹簧弱化为正常土弹簧的1/2000 来模拟液化区的影响。 对液化区管道施加均布的抬升力来模拟液化土对管道的浮力作用。

2.2 管材模型

有限元模型中采用R-O 模型来描述管材的弹塑性模型。 表达式如下：

式中：E 为管材的初始弹性模量；ε 为应变；σ 为应力；σs为管材的屈服应力；α 和N 为R-O 模型参数。

3 案例分析

3.1 案例背景

本文取某管道实际工程数据进行分析计算，案例数据如下：土壤参数：土壤容重2000kg/m3，内摩擦角35°，管道埋深：2.1m，管土摩擦系数0.6。 土壤类型为密砂。 计算得到土壤轴向土弹簧刚度48.44KN/m、屈 服 位 移3.00mm， 竖 直 向 上 土 弹 簧 刚 度77.175KN/m、 屈 服 位 移31.5mm，竖直向下土弹簧刚度2605.82KN/m、屈服位移121.90mm。 管道参数：外径1219mm，壁厚22mm，埋深2.1m。 管材X80HD2，弹性模量207GPa，屈服强度555MPa，R-O 参数α＝15.94 和N＝15.95。 液化区参数：液化区长度60m，单位长度管道的抬升力23KN/m。

3.2 案例结果分析

将抬升载荷施加到液化区管道单元上，进行有限元模型的求解分析。

在抬升力的作用下管道上浮， 液化区中心位移最大达到2.17m，管道恰好浮出土面。 图2 给出了管道管顶、管底、管侧的应力分布。 可以得到在均布抬升力的作用下，在液化区中心管道的顶部受拉，底部受压。 在两侧非液化区正常土弹簧的约束作用下，液化区与非液化区的交界处管道的顶部受压，底部受拉。 由于管道整体受拉伸作用所以管侧应力均为拉应力。 管道的最大Mises 等效应力处出现在液化区与非液化区交界处，应力值为350MPa。

图2 管道的应力分析结果

4 结论

本文基于非线性有限元分析软件ABAQUS 给出了液化区输气管道上浮时的应力分析方法， 结合实际案例讨论了应力分布的主要特点， 得出主要结论如下：ABAQUS 软件用于管土作用下管道的应力分析计算具有建模简单，计算速度快的优点。 液化区输气管道在液化区与非液化区交界处应力较大。本文给出了一种适合工程应用的液化区管道应力计算方法，可用于管道基于应力的设计与校核。

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