埋地供水管道的地震反应研究
2017-11-25陈佳郑归谢莉
陈佳++郑归++谢莉
摘 要:本文介绍了目前国内外埋地供水管道的多种地震反应分析方法,并结合实际管道施工中的实例,比较了各种分析方法的计算结果,最后运用ANSYS有限元软件对管道与土壤环境进行了仿真模拟,得出了有限元分析结果,通过比较有限元分析结果和理论计算结果,进一步验证管道地震反应分析方法的可行性,为有限元法在埋地管道地震反应分析中的应用起到了推动作用。
关键词:供水管道 地震 ANSYS
中图分类号:TU352 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2017)10(a)-0062-02
对于埋地供水管道的地震反应,许多国内外学者做了相关研究。文献[1]介绍了埋地管道地震反应分析的简化法,假定管道与土壤之间同步变形,在地震作用下,埋地管道轴向应变等于土壤轴向应变。经分析,当地震波入射角=45°时,管道地震反应有最大值。实际上地震波入射角对于管土间相互作用影响显著,简化法未充分考虑地震波入射角的影响,仅认为=45°时,管道地震反应取最大值,鉴于简化法分析的局限性,研究文献[1]提出了基于地震波入射角的简化法。《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》[2]GB50032-2003认为埋地供水管道在地震波入射角为45°时,地震反应取得最大值,且认为管土间是完全弹性连接的,提出了埋地管道地震反应的规范计算公式。
本文介绍了3种埋地供水管道的地震反应分析法,并运用ANSYS有限元软件对管土之间相互作用进行了仿真分析,通过比较理论分析和有限元分析结果,论证地震反应有限元分析法是准确且可行的。
1 埋地供水管道地震反应分析
1.1 简化法
在地震作用下,假定管道与周围土地发生同步变形,管道自身轴向应变等于土体应变,当地震波入射角为45。,管道轴向应变达到最大值[1]。
式中,为土壤振动速度幅值,一般取地震动小区划给出的地震动速度峰值,见表1;CS为管道埋设深度处土层的剪切波速(m/s)。
实际上,管道与土壤间存在相对滑动,为了考虑滑移对管道应变的影响,引入管道轴向位移传递系数,管道轴向最大应力为:
式中,E为土壤管道弹性模量。
1.2 基于地震波入射角的简化法
综合考虑地震波入射角、管土相互作用及地震地面运动加速度的情况下,管道轴向最大应力为[1]:
式中,E为土壤管道弹性模量;T为场地自振周期;a为地震地面运动加速度(m/s2);为地震波入射角;VS为剪切波速;D为管道外径;为管壁厚度;K为管道视为地基梁的轴向弹簧系数,取为0.66G;G为地基上的剪切模量。
从上式可以看出,管道最大轴向应力随地震波入射角的变化而变化,当=45°时,不一定取最大值。
1.3 抗震规范法
《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》[2]GB50032-2003给出了埋地供水管道在地震波作用下的规范计算式。
剪切波行进时管道埋深处的土体最大水平位移标准值,按下式计算:
式中,KH为设计基本地震加速度与重力加速度的比值,见表2;g为重力加速度;Tg为管道埋设场地的特征周期(S)。
管道轴向的位移传递系数可按下式计算:
式中,Vsp为管道埋设深度处土层的剪切波速(m/s),一般取实测剪切波速的2/3;Up为管道单位长度的外缘表面积(mm2/mm),对无刚性管基的圆管,为(D为管外径);当设置刚性管基时,即为包括管基在内的外缘面积;k1为沿管轴方向土地的单位面积弹性抗力(N/mm3),一般可采用0.06N/mm3;A为管道的横截面积(mm2)。
在水平地震作用下,整体焊接钢管的最大应变量标准值为:
2 埋地供水管道实例计算
某高校欲建一栋综合楼,埋地供水管道的参数是:管径500mm,壁厚10mm,材质为球墨铸铁管,弹性模量为E=1.5×105MPa,管道埋深2m,管道所在场地类别为二类,场地土壤密度为ρ=2000kg/m?,土壤剪切模量G=300MPa,震动幅值A=4×10-3m,场地土剪切波速Vs=400m/s,场地卓越周期Tm=0.5s,地震波长L=200m,场地地震烈度Ⅶ度,地震时,地面运动加速度a=1.6m/s2,计算地震作用下管道轴向最大应力。
采用本文介绍的管道轴向最大应力3种计算方法,结果如表3所示。
3 地震有限元分析
用ANSYS有限元软件,建立管道和土体的实体模型。用Solid实体单元建立一根15m长的空心圆柱形长管,管道外径500mm,管道壁厚10mm。
管土间的相互作用采用Combin14弹簧单元模拟,Combin14弹簧单元是一种单向弹簧单元,主要承受轴向拉压作用。用ANSYS软件对管道实体模型进行网格划分如图1所示。
土弹簧系数的选取会直接影响到ANSYS有限元分析的结果,本次分析直接选用实例中的土弹簧系数,依据抗震规范法,土弹簧系数为:
K1=UPK1=3.14×500×0.06=94.2MPa
相关文献表明,选用3条、5条地震波输入可确保管土间地震反应分析的准确性,本文选用EL_Centro波、Taft波及上海人工波3条著名的地震波。地震波的施加通过用APDL命令指定结构的时间-加速度历程,有限元分析结果如表4所示。
4 结语
从理论计算和有限元分析结果可以看出,埋地供水管道的轴向最大应力计算是正确的。本文中的理论分析法对管道与土壤环境之间相互作用,在一定程度上或多或少进行了简化,因而计算结果相对于ANSYS有限元算法结果偏大。在以后的埋地供水管道地震反应分析中,可采用ANSYS有限元法进行分析,能得到更准确的数值。
参考文献
[1] 姜华.埋地管道在地震波作用下的响应分析[D].华中科技大学,2011.
[2] GB 50032-2003,室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范[S].
[3] 吳奎.城市供水管网系统的抗震可靠性分析[D].华中科技大学,2011.endprint