跨断层埋地变径管道抗震分析

薛景宏，娄彦鹏

(东北石油大学 土木建筑工程学院，黑龙江 大庆 163318)



跨断层埋地变径管道抗震分析

薛景宏，娄彦鹏

(东北石油大学 土木建筑工程学院，黑龙江 大庆 163318)

为提高变管径管道的抗震性能，采用四节点壳单元模型模拟埋地管道，管土间相互作用采用非线性土弹簧模拟，通过有限元软件ADINA分析走滑断层下埋地变径管道的地震响应。研究了管线变径位置与断层位置关系、场地土类别及管道壁厚对管道造成的影响。结果表明:跨断层埋地变径管道的薄弱位置多为变径装置与小直径管段连接处。该研究可以为跨断层埋地变径管道抗震设计提供参考。

变径管道； 走滑断层； 薄弱位置

管道工程是生命线工程之一，随着人口的增多与经济的迅猛发展，埋地管道不仅是能源运输的重要手段，也是人们日常生活中基础设施的重要组成部分。管道工程在诸多方面得到应用，如油气的运输、城市给排水、北方地区的供热等。近年来，自然灾害频发，尤其是地震灾害，使埋地管道受到巨大的破坏，有些地区不仅造成了管道自身的破坏，还发生了次生灾害，如核泄漏、火灾、爆炸等，不仅给国家带来严重的经济损失，还给人们的生命带来威胁[1-4]。

通过对管道震害分析，国内外学者在跨断层埋地管线的地震反应方面做了大量的理论、实验研究，取得了很多成果[5-11]。但是，这些研究成果大多是基于直埋同径管线为研究对象得出的理论方法，在工程实践中，管线不可避免地要变径。因此，笔者在众多研究的基础上，利用ADINA有限元软件，建立跨断层埋地变径管道的土弹簧模型，研究变径位置与断层位置关系、场地土类别及管道壁厚对管道轴向应变峰值的影响。

1　计算模型的建立

采用土弹簧法模拟跨断层埋地变径管道，远离断层管土相互作用处理成非线性等效边界[12]，运用ADINA有限元软件建立跨断层埋地变径管道弹簧模型。

1.1几何模型及网格划分

管道材料为API5LX60进口钢材，应力应变关系采用输油气钢质管道抗震设计规范中的三折线简化模型，见图1。管道的总长度取100 m，采用四节点壳单元对管道进行网格划分，通过ADINA有限元软件的自动划分网格功能进行单元划分，管轴方向为0.5 m一个单元，管道圆周方向划分为16个单元。文中分析的是走滑断层下的跨断层埋地变径管道，如图2所示，有限元模型如图3所示。

图2　跨断层埋地变径管道模型

图3　土弹簧变径管道有限元模型

Fig.3Finite element soil spring model of variable- diameter pipeline

1.2地震波输入与土弹簧模拟

地震波载荷采用位移时程的方式输入，在计算中采用集集地震波的二类场地地震波记录，在计算时将地震波位移时程反向施加在断层两侧的土弹簧上。

采用拉压土弹簧，在每个管道节点上，分别建立水平方向、垂直方向、轴向土弹簧，土弹簧为非线性弹簧。

水平方向土弹簧、垂直方向土弹簧、轴向土弹簧的性质主要依赖于土壤性质，一般根据ASCEGB 50470—2008《油气输送管道线路工程抗震技术规范》选取[13]。文中采用中密砂，土壤内摩擦角为35°，剪切波速为250 m/s，大管径D1=0.762 m和小管径D2=0.508 m条件下三个方向土弹簧屈服力Pu和屈服位移Δu见表1。

表1　土弹簧屈服力和屈服位移

2　数值模拟结果分析

2.1地震波波型对跨断层埋地变径管道的影响

建立并分析中砂场地下的跨断层埋地变径管道，管土间摩擦取0.4，管道材料为进口钢材API5LX60，大管径D1=0.762 m,壁厚δ=0.023 8 m,小管径D2=0.508 m,壁厚δ=0.023 8 m,断层与管道交角为90°，断层错距为5 m，管线变径位置在断层处，位移波为集集地震位移波。分别模拟了mainTCU052波、mainTCU065波、mainTCU067波时的跨断层埋地变径管道，地震波位移时程曲线如图4所示。

通过有限元模拟，地震波为mainTCU052波、mainTCU065波、mainTCU067波时，最大拉(压)应变点均大约在变径装置与小直径管段连接处。

a　mainTCU052波

b　mainTCU065波

c　mainTCU067波

跨断层埋地变径管道轴向最大拉(压)应变见表2。通过表2中最大拉(压)应变值发现，在三条不同地震位移波作用下，管道轴向最大拉(压)应变值相差不大。

表2不同地震波时管道最大拉(压)应变值

Table 2Maximum tensile(compressive) strain of different seismic wave

地震波εt/10-2εc/10-2mainTCU0520.96825-0.96752mainTCU0651.07603-1.07515mainTCU0671.13312-1.13312

2.2变径位置对跨断层埋地变径管道的影响

建立并分析中砂场地下的跨断层埋地变径管道，管土间摩擦取0.4，管道材料为进口钢材API5LX60,D1=0.762 m,δ=0.023 8 m,D2=0.508 m,δ=0.023 8 m,断层与管道交角为90°，位移波为mainTCU065波，断层错距为5 m，分别模拟管线变径位置在断层处、断层右10 m处、断层左10 m处、断层右20 m处、断层左20 m处、断层右30 m处、断层左30 m处的跨断层埋地变径管道。管道变径位置与断层关系位置如图5所示。

跨断层埋地变径管道整体应变云图分别如图6～9所示。其最大拉(压)应变见表3。

图5　管道变径位置与断层关系位置Fig.5　Relationship between variable-diameter pipeline and fault location

图6　变径位置在断层线处应变云图Fig.6　Strain cloud of variable-diameter position at fault line

a　左侧

b　右侧

Fig.7Strain cloud of variable-diameter position at 10 meters of fault line

a　左侧

b　右侧

Fig.8Strain cloud of variable-diameter position at 20 meters of fault line

a　左侧

b　右侧

Fig.9Strain cloud of variable-diameter position at 30 meters of fault line

由图6～9可见，管道变径位置在断层处、左侧10 m、右侧10 m、左侧20 m处时，最大拉(压)应变点大约在变径装置与小直径管段连接处。管道变径位置在断层右侧20 m、右侧30 m、左侧30 m处管道轴向最大拉(压)应变点大约在断层交线处管径截面。

表3不同变径位置管道最大拉(压)应变值

Table 3Maximum tensile(compressive) strain of different variable-diameter position

d/mεt/10-3εc/10-3010.76030-10.7515010左3.25369-3.25369右2.91022-2.9100120左3.41308-3.41289右2.29132-2.2910530左3.92946-3.92925右1.98725-1.98286

通过表3发现，在地震位移波作用下，变径位置在断层处的最大拉(压)应变值最大；当变径位置在断层右侧时，变径位置距离断层越近，拉(压)应变值越大；当变径位置在断层左侧时，变径位置距离断层越远，拉(压)应变值越大。

2.3场地土类别对跨断层埋地变径管道的影响

建立并模拟松砂、中砂、密砂三种场地下的跨断层埋地变径管道，管道材料为进口钢材API5LX60，D1=0.762 m,δ=0.023 8 m,D2=0.508 m,δ=0.023 8 m,断层与管道交角为90°，位移波为集集地震mainTCU065波，断层错距为5 m，管线变径位置在断层处。场地土参数及土弹簧参数分别见表4、5。表中φ、v、ρ、μ分别为场地土的内摩擦角、剪切波速、土壤密度和管土摩擦系数。

表4　场地土参数

表5　土弹簧屈服力和屈服位移

通过有限元模拟，场地土为松砂、中砂、密砂时，最大拉(压)应变点场大约在变径装置与小直径管段连接处。

跨断层埋地变经管道轴向最大拉(压)应变如表6所示。

表6不同场地管道最大拉(压)应变值

Table 6Maximum tensile(compressive) strain of different site soil

场地类别εt/10-2εc/10-2松砂0.82932-0.82891中砂1.07603-1.07515密砂9.03744-9.03541

通过表6中最大拉(压)应变值发现，在地震位移波作用下，场地土为密砂时，管道轴向最大拉(压)应变值最大,中砂次之，松砂最小。

2.4管道壁厚对跨断层埋地变径管道的影响

建立并分析中砂场地下的跨断层埋地变径管道，管土间摩擦取0.4，管道材料为进口钢材API5LX60，D1=0.762 m,D2=0.508 m,断层与管道交角为90°，位移波为集集地震mainTCU065波，断层错距为5 m，管线变径位置在断层处,分别模拟了管道壁厚δ为0.015 9、0.023 8、0.031 8 m的跨断层埋地变径管道。

通过有限元模拟发现，壁厚为0.015 9、0.023 8、0.031 8 m时，最大拉(压)应变点均大约在变径装置与小直径管段连接处。

跨断层埋地变径管道轴向最大拉(压)应变如表7所示。

表7不同壁厚管道最大拉(压)应变值

Table 7Maximum tensile(compressive) strain of different thickness

δ/mεt/10-2εc/10-20.01594.80799-4.806670.02381.07603-1.075150.03180.30059-0.30055

通过表7中最大拉(压)应变值发现，在地震位移波作用下，壁厚为0.015 9 m时，管道轴向最大拉(压)应变值最大,壁厚为0.023 8 m时次之，壁厚为0.031 8 m时最小。

3　结束语

大直径管段通过断层时的抗震性能比小直径管段通过断层时要好；通过对跨断层埋地变径管道有限元模拟，管道的壁厚越大，其抗震性能越好；选址时，尽量选取松散的沙砾，中、粗砂的场地。研究表明，变径管道的薄弱位置多为变径装置与小直径管段连接处，因此，在进行设计时，如果需要变径，应使大直径管段穿越断层，在变径装置与小直径管段连接处需要加强抗震措施设计。该研究对跨断层埋地变径管道抗震设计具有一定的指导意义。

[1]高鹏,王培鸿,王海英,等.2014年中国油气管道建设新进展[J].国际石油经济,2015(3):68-74.

[2]丰晓红.跨断层埋地输气管道断层错动反应分析方法研究[D].成都：西南石油大学，2012.

[3]DOBRY R.New site coefficients and site classification system used in recent building seismic code provisions[J].Earthquake Spectra,2000,16(41):3-19.

[4]MATAUBARA K,HOSHIYA M.Soil spring constants of buried pipelines for seismic design[J].Journal of Engineering Mechanics,2000,126(1):76-83.

[5]WANG L R L，SHIM J S，ISHIBASHI I,et al.Dynamic responses of buried pipeline during a liquefaction process[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering,1990,99(1):44-50.

[6]LIU G M,LI S J,LI Y H,et al.Vibration analysis of pipelines with arbitrary branches by absorbing transfer matrix method[J].Journal of Sound and Vibration,2013,332:6519- 6536.

[7]黄怀纬,韩强,魏德敏．轴压-弯曲联合荷载下功能梯度材料圆壳的屈曲[J]．华南理工大学学报:自然科学版，2012，40(4):158-161．

[8]刘啸奔，陈严飞，张宏,等.跨断层区X80钢管道受压时的设计应变预测[J].天然气工业，2014，34(12):123-130.

[9]王滨.断层作用下埋地钢质管道反应分析方法研究[D].大连：大连理工大学，2011.

[10]张志超，王进廷，徐艳杰.跨断层地下管线振动台模型试验研究(I)——试验方案设计[J].土木工程学报，2011,44(11)：93- 98.

[11]薛景宏,王春莉,陶凯尔.跨断层埋地管道管与土体间作用分析[J].低温建筑技术，2014(9)：108-110.

[12]刘爱文.基于壳模型的埋地管道抗震分析[D].北京：中国地震局地球物理研究所，2002．

[13]中国石油天然气集团公司.GB 50470—2008油气输送管道线路工程抗震技术规范[S].北京：中国计划出版社，2009：1-63.

(编辑徐岩)

Seismic analysis of cross-fault buried variable-diameter pipeline

XUE Jinghong，LOU Yanpeng

(School of Civil Engineering and Arohitecture,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)

This paper aims to improve the seismic ability of variable-diameter pipelines.The study is focused on the simulation of the buried pipelines using shell element model of four nodes,and the interaction between soil and pipeline using nonlinear soil spring;the analysis of the seismic response of buried variable-diameter pipeline under strike slip fault using the software ADINA;and the exploration of the influence on pipeline response by the relationship between pipeline variable-diameter position,fault position,the thickness of pipes,and the type of site soil.The study proves that the weak position of cross-fault buried variable-diameter pipeline occurs in the joints between diameter devices and small diameter pipelines.The research may provide a reference for the seismic design of cross-fault buried variable-diameter pipelines.

variable-diameter pipeline;strike slip fault;weak position

2016-04-06

中国石油天然气股份有限公司科技风险创新项目(07-06D-01-04-04-03)

薛景宏(1968- )，男，吉林省梨树人，教授，博士，研究方向：防灾减灾工程，E-mail:xjh0459@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.03.008

TU352.1;TU990.3

2095-7262(2016)03-0272-05

A