断层蠕滑变形和地震作用下过活断层明钢管受力特性研究

李端正，张文全，杨耀翔，石长征，伍鹤皋

(1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072；2.云南省滇中引水工程有限公司，云南 昆明 650000)

水资源格局和经济社会发展格局息息相关，我国大型引调水工程在改善民生、经济格局、生态效益方面发挥了巨大的作用[1]。跨流域调水工程需要穿越各种天然或人工屏障，输水线路长，管线难免需要穿越各类复杂地质条件，甚至是活断层[2]。在工程的有效期内，活动断层破裂带蠕滑而产生的变形和地震等原因引起的突发黏滑变形对建设工程的安全平稳工作产生重大影响[3]。

布置于活动断层上的管道会随着活动断层之间的错动而产生管道的垂向和轴向位移，这有可能使管道发生不可逆的破坏，威胁工程的安全。地面式钢衬钢筋混凝土管道和地面明钢管是现今常用的跨活动断层的管道结构，通常在管线中设置适量的伸缩节来适应断层的错动。地面钢衬钢筋混凝土管道抗震性能较好，但由于管道刚性较大，对断层错动位移的适应性比明钢管略差[4-6]，长期运行后管道也难以复位。结构受力明确方便检修、易适应不良地质条件是地面明钢管的优点，而且其支座在遭到损坏时还能进行复位、更换。

发生地震时，由于较小的滑动支座刚度，管道受到的水平约束较弱，当支座上管道水平位移较大时，管道可能从支墩上掉落破坏管线[7]。近年来，在穿越断层及断层影响带处的长引水管道设计中，刘园等[7]利用时程分析方法对水电站地面明钢管进行了研究，说明了明钢管在遭遇地震时存在明显的横向加速度、横向位移、轴向滑移、垂直跳动等问题；胡蕾等[8]在铰支座和垫层支墩分别作为小滑动传力支承的前提条件下，探究明钢管对活动断层位移的适应作用；袁凯华等[9]对过活断层的明钢管进行了抗震性研究，表明了滑动支座并不能很好地约束上部分结构的水平位移，在抗震时需要注意明钢管结构的这类问题。现在，地震依旧频发，因此有必要研究穿过活断裂带管道结构的抗震性和管道在地震中的变形、运动规律。

鉴于此，本文结合滇中引水工程某过活动断层的倒虹吸结构，采用有限元方法来研究断层蠕滑变形和地震作用影响下过活断层地面明钢管的受力特性。

1 工程概况与计算模型

1.1 工程概况及管道布置

某管道内径为2.6 m的倒虹吸管段，有着最高达2.42 MPa的内水压强。管道穿越至今仍在活跃的断层，该断层有近500 m的破碎影响带，因可能引发地震，故取设计地震加速度峰值为0.3g。本文选取穿越断层的管段为分析对象，管线总长1 604.16 m，地质剖面和管道布置见图1。管路的布局类型为地面明钢管，布设10个镇墩于管路开始端以及平面和立面转角处，为了适应活动断层错动位移，在主断层以及影响带范围内沿线布设11个伸缩节，其中，SSJ3～SSJ8位于主断层范围内。支座主要采用单向滑动支座，在两端均是波纹管的管段中间设置1个固定铰支座。

图1 地质剖面和管道布置示意

本文钢管钢材所用型号为Q345R，管壁厚度从上游14 mm沿程逐渐过渡到22 mm，混凝土C25用于建造管道、镇墩和支墩。岩土材料主要有白云岩类、第三系黏土和断裂带，表1为各材料主要力学参数。本文选取的伸缩节样式为复式波纹管伸缩节，设计横向、轴向变形均为100 mm，单独波纹管伸缩节轴向刚度为2 000 kN/m，整体轴向刚度为1 000 kN/m。

表1 材料力学参数

1.2 计算模型及工况

根据工程布置建立计算模型，包含钢管、支座、支承环、伸缩节、镇墩和地基。使用四节点壳单元模拟钢管、支承环；八节点实体单元模拟支座、混凝土和地基；二节点梁单元模拟波纹管；管单元模拟波纹管中间的连接管。其中，模拟波纹管的梁单元两端分别与波纹管两端管壳节点刚性连接，梁单元的轴向刚度与波纹管的轴向刚度一致，为2 000 kN/m。支承环为双片式支承环，加劲肋与支承环厚度均为25 mm，支撑环与钢管间设置共节点；钢管上的加劲环布置间隔2 m，厚16 mm。滑动支座上下两滑板间设可以发生相对滑动的面—面接触单元，摩擦系数取0.1；固定铰支座上下滑板间中心节点耦合X、Y、Z3个方向的平动自由度，无相对错动，但存在相对转动。坐标系X轴水平指向下游为正，Y轴铅直向上为正，Z轴正方向垂直于X轴指向右侧(面向下游)。图2为模型整体网格，模型底部施加固定约束，侧面施加法向约束，模型在横截面方向厚度取为20倍管径，即52 m。

图2 模型网格示意

对结构进行4个工况的计算，表2为各工况荷载组合。计算正常运行+蠕滑变形+地震工况时，假设结构已经经历了蠕滑变形，再承受地震，地震动力分析的初始位移与应力条件为正常运行+蠕滑变形工况的结构位移与应力。

表2 计算方案和荷载组合

计算中考虑的主要荷载有：①内水压力。施加于钢管内壁，最大静水压力为2.42 MPa，因为无闸控制管道，水击压力不存在。②断裂带蠕滑变形。在管道设计使用年限50年内活动断层沿断层面水平错动位移量累加达1.0 m，垂直错动位移量累计0.16 m，施加错动位移时分解到整体坐标系3个方向上，如图3所示，在计算时，变位均转化到局部坐标系进行加载，假设固定断层影响带左端面，右端相对左端产生位移，所有位移均作用于地基以上。③地震。地震加速度峰值为0.15g，特征周期0.45 s。根据NB 35047—2015《水电工程水工建筑物抗震设计规范》[10]规定，取阻尼比5%，反应谱最大值代表值2.5，确定水平向和竖向标准设计反应谱作为目标谱，生成如图4所示的人工波作为输入的地震动加速度时程。地震动力分析时，管内水体的质量等效为管壁附加质量，地基采用无质量地基。

图3 断层蠕滑错动位移的示意

图4 地震加速度时程曲线

2 计算结果分析

由于地面明钢管为了跨越活动断层，管线中伸缩节数量比常规设计的要多，结构整体具有较大的柔性，所以需要更加注意钢管、支座以及伸缩节的位移。

2.1 静力计算分析

2.1.1 位移分析

在正常运行工况下，管道结构的位移较小，主要的位移在管道轴线方向，包括管道在重力作用下沿管轴线的滑移和泊松效应引起的管道轴向伸缩。当增加蠕滑变形后，管道各向位移分布如图5所示。从图5中可以看出，管道的位移分布规律与蠕滑变形的分布规律大致相同，可见管道主要跟随地基发生整体位移，包括在水平横管轴线方向的左右摆动，在竖向的倾斜，以及在轴向的整体移动。由于各段管道位移有一定差别，伸缩节两端钢管的位移差将导致伸缩节的变形。图6显示了各伸缩节在各方向的变形量，变形量在各管段局部坐标系下整理，其中，X向为横管轴向，Y向垂直于管轴线向上，Z向为管轴线方向。从图6中可以看出，正常运行工况下，伸缩节的变形较小，管轴向变形相对较大；增加蠕滑变形后，伸缩节Y向的变形量变化较小，其他2个方向的变形量有大幅度增加，尤其是管轴线方向增幅明显，最大超过60 mm。

图5 蠕滑工况管道结构位移(单位：mm)

图6 伸缩节变形

位于镇墩附近的管道结构所发生的位移与地基位移相差不大，管道与伸缩节将共同分担镇墩间地基的蠕滑变形。管道和伸缩节上述变形规律说明，对于垂直于管轴向的蠕滑变形，管道可以随着地基运动而自动适应绝大部分。在管轴线方向，由于伸缩节的刚度远小于钢管，且钢管设置了滑动支座，钢管可以沿轴向滑移，因此轴向变形主要集中在伸缩节处。

2.1.2 应力分析

选取位于主断层上方的4号和5号镇墩之间的管段进行应力分析，图7为在正常运行工况和蠕滑变形工况下钢管的Mises应力云图。在正常运行工况下，钢管的应力主要受内水压力的影响，在支承环和加劲环处存在局部应力集中，Mises应力最大为144.74 MPa。考虑蠕滑变形后，钢管的应力分布与正常运行工况差距不大，数值也非常接近，在固定支座的支承环处应力有较为明显的增加，最大应力达到164.61 MPa。这主要是由于钢管沿着管轴向产生了滑移，而固定支座限制了钢管的轴向位移，支承环产生了弯曲现象。

图7 各工况钢管Mises应力云图(单位：MPa)

通过以上计算得知，伸缩节承担了大部分在活动断层蠕滑变形作用下的断层变形，少部分由钢管承担，钢管的应力与正常运行工况相近。可知，管线中配置适量的伸缩节，设置用来适应断层蠕滑变形的滑动支座，就可以改善管道结构适应断层蠕滑变形的能力。同时，由于管线的起伏、沿线地质条件的差异、管道分段长度不均，各伸缩节变形差异也较大，总体而言，若管节两端均是伸缩节，仅靠1个固定支座加以约束，该管节的位移量将较大，两端伸缩节的变形将较明显。

2.2 动力计算分析

2.2.1 位移分析

在正常运行+地震工况下，管道的位移以正常运行工况为基准波动，X向位移的变化范围为-13.90～25.17 mm，Y向位移的变化范围为-23.80～9.15 mm，Z向位移的变化范围为-11.38～16.38 mm。在正常运行+蠕滑+地震工况下，管道的位移以蠕滑为主，地震引起的位移波动与正常运行+地震工况接近。

虽然地震引起了结构各方向位移的波动，但伸缩节Y方向变形波动不超过2 mm，图8为2个地震工况下伸缩节的X向和Z向的变形包络线。由图8可知，在正常运行+地震工况下，X向4号伸缩节的变形最大，拉伸和压缩量最大分别为6.01 mm和6.10 mm；Z向各伸缩节变形量差异相对较小，伸缩节变形量的变化范围在-16.08～13.04 mm之间，大于X方向的变形。在正常运行+蠕滑变形+地震工况下，由于地震引起的伸缩节变形波动与正常运行+地震工况类似，Z向5个伸缩节的最大变形量已超过50 mm。

图8 地震工况伸缩节变形包络线

从2个地震工况计算的结果来看，地震对结构变形的影响程度有限，其中影响较为明显的是Z方向即管轴线方向。由于部分管段两端均是伸缩节，其约束较弱，在轴向的振动相对更为明显。

2.2.2 应力分析

图9给出了4号和5号镇墩之间的管段各动力工况的钢管的Mises应力云图。由图9可知，在正常运行+地震工况下，钢管Mises应力大部分小于100 MPa，正常运行工况的应力分布规律与数值和此差别不大。应力较大的地方集中在固定支座的支承环附近，应力最大达282.05 MPa。正常运行+蠕滑变形+地震工况时应力分布规律与正常运行+地震工况类似，固定支座支承环附近最大应力在蠕滑变形和地震的共同作用下达到360.78 MPa。结果表明，内水压力对钢管大部分区域的应力影响较大，而钢管应力受地震和蠕滑变形影响较小。地面明钢管抗震主要的问题在轴向约束较弱的管段，管轴向方向位移较大，固定支座受弯比较严重。但总体而言，在现有的布置条件下，钢管能承受地震的影响，即使结构承受蠕滑变形后遭遇地震，伸缩节的变形、钢管的应力均在可控范围内，不会造成结构的破坏。

图9 地震工况钢管Mises应力云图(单位：MPa)

3 结 论

(1)地面明钢管在穿越活动断层的管段中，配置用来适应断层蠕滑变形的滑动支座和沿线配置适量的波纹管伸缩节是可行的。在蠕滑变形的情况下地基会带着钢管倾斜、偏转，使钢管主要发生整体位移，垂直于管轴向方向的蠕滑变形能被很好的适应，钢管间设置的伸缩节也承担大部分轴向蠕滑变形，对钢管的影响较小。

(2)地震作用对穿越活动断层的地面明钢管影响有限，地震中受影响较大的是轴向约束较弱的管段，主要体现引起管段较大的轴向位移，导致固定支座支承环受弯和伸缩节轴向变形增大。

(3)由于地形条件等限制，地面明钢管可能部分管线较长，两个镇墩中间布置多个伸缩节，对于两端都是伸缩节的管段，在断层蠕滑变形和地震作用下均容易产生较大的轴向位移，需要依靠固定支座加以限制，但固定支座的支承环容易产生弯曲变形，设计中要加以重视。