埋地管道地震响应研究综述

2020-03-22

福建质量管理 2020年9期

关键词：分析模型轴向土体

(北方工业大学北京 100144)

一、引言

埋地管道是城市重要生命线工程，也是非常特殊的地下结构。这种结构系统埋于地下，在发生地震时其受力状态较为复杂，因此对埋地管道地震响应问题开展研究有着重大意义。

二、研究现状

纵观中外研究成果，近年关于地震波作用下埋地管道的研究工作已有巨大进展。所得成果主要如下：

Newmark[1]提出地震波作用下埋地管道的理论方法，忽略了惯性力的影响，并假定管道与土共同运动，开创了埋地管道的动力响应研究，目前世界各国规范都基于该假定。

日本学者[2]提出了反应位移法，建立了地震波作用下管土作用分析模型，本法将地震波简化为简谐波，将管道简化为弹性地基梁，将土简化为分布均匀的线性弹簧，可以合理准确地评估分析地震波作用下管道的动力响应。

沈世杰等[3]广泛搜集了与管道震害有关的大量资料，同时对动力学波动理论进行总结论述，探讨了地震作用下管道及其四周土体应变情况，提出管道与周围土体之间应变传递计算公式。

Shinozuka[4]将惯性力忽略，通过假设管-土传递系数分析求得管-土界面应变。综合分析得出:震级较高的情况下，管土会出现相对位移现象；震级较小情况下，管土会出现共同变形现象。

Hindy和Novak[5]有效分析了管土动力相互作用，首次提出了管-土间相互作用的概念，同时系统地研究了地震波波速、管道埋深、管道直径、管道接头型式等因素的影响作用。得出在地震波作用下管线轴向应变远大于弯曲应变；深埋管道当受到管线动力相互作用时，轴向应力降低等结论。但该理论只适用于深埋管线。

Wang[6]将阻尼力、惯性力略去，运用拟静态分析法研究分析了各种地震波作用下影响管道轴向应力应变的可能要素，同时指出：土质均匀性、地震波入射角度这两个因素的作用最为关键。

M.J、O’Rourke等[7]对地震波影响下管道、土体应变和管土之间出现的滑动关系进行研究，同时提出：假如管土发生相对滑动，管道应变会因此变小，考虑到土体应变相对来讲比较大，所以周围土体应变下降到某个水平时，管道应变会接近于土体应变，管土之间只会出现较小的相对滑动。

仲伟涛、孙绍平等[8]开展试验研究，探讨了管道表面粗糙程度与管土间作用力之间的关系，结果证明：管道表面粗糙度会影响管土间摩阻力，粗糙程度与管土间摩阻力正相关；实验控制使得管土间摩阻力、管土相对位移增大，得出了摩阻力的极限值以及相对位移最大值。

王海波、临皋[9]运用边界单元法将地震波输入研究系统，分析了半无限弹性介质内土体和管道的作用和影响规律，研究发现：影响管土间作用的主要因素是埋深，埋深越大，尤其当埋深超过3m时，管道受到的影响会逐步下降，管土间效应此时也会逐步削弱；管土作用强弱和地震波频谱成分有关，管土共振效应通常出现在有较大位移的情况下，地震波振动频率会对管道位移改变造成影响，两者正相关，且共振反应较小。

杨敏、刘全林[10]主要构建了包含材料刚度在内的多个参数的管土作用分析模型，并根据实测数据修正了研究模型，最终得到了参数分析的公式。

梁瑞[11]构建了管土作用分析的有限元数值模型，同时根据工程实例针对埋地管道地震响应问题进行了计算分析，所得结果证明运用此分析模型计算管道动力响应可有效评价地震波对于埋地管道安全问题造成的影响。

赵新涛、程贵海等[12]主要分析研究了管土作用、变形传递系数两个因素影响管道地震响应的问题，运用静力法得到了管道应力应变方程。根据算例数据研究得知：地震波作用下，管道接口处较其他位置通常更容易受损，工程施工过程中扩大管道横截面、增强接口强度对抗震设防有利。

刘晓晓、李立云等[13]运用ABAQUS有限元软件分析，将黏弹性人工边界、管土作用、非线性反应等因素纳入分析模型，对管土接触作用进行模拟，构建埋地管道在地震波作用下的数值分析模型，同时结合试验数据，对比分析了所得数值结果并指出：本模型能够有效分析管道在地震波作用下的响应情况，其与振动台试验实验结果相似，管道轴向应变表现出纺锤状变化势态。

薛景宏等[14]对比分析了时程分析法和规范法计算得到的埋地管道轴向动力反应数值，发现后一方法计算所得数值更大。