长输油气管道抗震研究新进展.doc

长输油气管道抗震研究新进展 2008-10-08 ???? 随着我国国民经济的增长和现代化工业的快速发展，管道运输在五大运输系统中起着越来越重要的作用。我国处于地震多发区，管道难免遭受地震灾害的危害，以及由此引发的严重火灾、泄漏、爆炸、污染等次生灾害。由此可见，确保长输油气管道的抗震安全极其重要，而国内外学者在此方面做了大量的研究工作。????一、长输油气管道的抗震研究与进展????1、管道抗震计算方法????目前，埋地管道的抗震计算方法主要有两种，第一种是根据地下建筑物抗震理论来研究与土壤相互作用的管道震动，第二种与管道周围土壤介质沿管道纵轴的变形（压-拉）有关。第一种方法把管道周围的土体在地震时的运动看成是变强度的行波，只研究与土中管道震动有关的过程而不考虑震动土壤的体积。这样，地震时埋地管道工作条件的研究就归结为求解在相应初始条件及边界条件下的线性或非线性偏微分方程的问题，而不考虑地震时土壤的运动规律。第二种方法，理论上将地震作用看成拟静态作用。现有理论认为地上管道的破坏是由于支撑环境的破坏，包括管道与支撑间连接件的破坏，或者支撑结构之间大的相对运动所引起的破坏等。地震作用通过管架传递给管道，并沿着地震波作用方向震动。因此，进行抗震计算时一般将长输地上管道视为环形截面的多跨梁来研究，计算出管道自身及支撑结构沿着横向和纵向受地震作用的近似值。????2、地震对管道破坏程度的主要影响因素????从破坏位置上看，地震时长输油气管道一般分为3种基本破坏类型：管道接口破坏、管段破坏、管道附件以及管道与其它地下结构连接处破坏。其中，以管道接口（或接头）破坏居多，它容易受到地震的影响。地震烈度、空间方位、埋深、场地条件、管材、口径和管道构造特点是影响地震对管道破坏程度的主要因素。????（1）地表断层对埋地管道影响最大。T.D.O’Rourke[1]在1996年经过研究发现：如果地表断裂位移大到足以破坏管道，则地震等级需达到6~6.5级。国内学者尹力峰等[2]在分析了11次大地震对管道破坏情况后指出：无论是岩石或土地中的埋地管道，断层运动对管道的影响都值得注意。????（2）由地震引起的土地液化导致上覆土体产生流滑、横向扩展等地面侧移属于地震的次生灾害，它也是危害埋地管道的最主要形式之一。????（3）储罐与管道之间通常以金属旋转波纹管相连接，其连接处是抗震的薄弱环节。由于震密和回填土固结压密将引起储罐不均匀沉降，其相对位移及相对转角会导致管道扭曲或折断。另外，由于管内具有一定压力和流速的液体作用，管道会发生复杂的横向震动，也可能加速对管道的破坏。????3、长输油气管道震害的研究方法长输油气管道震害的研究方法主要有原型观测法、试验研究法、理论研究法和经验统计法。????原型观测法主要通过实测得到地震发生时地下工程的响应特性。试验研究法则在人工震源或震动台的作用下，研究结构模型的动力特性。理论研究法分为2种：一是基于共同变形理论，即管道与周围地基土壤在地震中变形一致，即管道的轴向应变等于周围土地沿管轴方向的正应变；二是基于相对变形理论，即土体与管道之间可发生相对运动。经验统计法则是基于历史震害资料的统计，总结得出管道的震害估算公式????4、模型的建立由达朗培尔原理可知，在物体运动的任意瞬间，作用在物体上的外力和惯性力相互平衡，可得动力学通用的运动方程为：????????????　?　　　　???????????　　　　　　　　?（1）?????式中　　　M——结构质量矩阵；C——结构阻尼矩阵；?????K——结构刚度矩阵；F(t)?——随时间变化的载荷函数；??????——节点加速度矢量；?——节点速度矢量；??????u——节点位移矢量。????针对管道和土壤间相互作用的情况，假设地面发生的位移为?，管道对地面的相对位移为x(t)，则管道的总位移为?，管道的绝对加速度为?。阻尼力是使结构震动衰减的动力。采用比较常用的粘滞阻尼理论，假定阻尼力与质点的速度成正比，上述的动力学通用方程则变为：　　　　　　　　????　　　　　　?????（2）????管道在地震中的应力计算和位移计算，均基于方程（2）建立其基本模型。????5、不同条件下管道的地震反应???（1）均匀土介质下管道的地震反应????Newmark早在60年代末就对埋地管道进行了抗震研究，但他在分析中忽略了惯性力的影响，而且假定管道与土壤一起运动。目前，包括美国、中国在内的许多国家的相关规范都基于该假定。在70年代，日本学者提出了管道与土壤相互作用的分析模型，该模型将管道简化为弹性地基梁，将地震波简化为简谐波，即所谓的反应位移法。R.A.Parmelee[3]首次将管道简化为半无限空间中的圆柱壳，土与管道之