地震波作用下跨场地埋地管道动力响应研究.pdf

地震波作用下跨场地埋地管道动力响应研究 摘 要 管线工程在现代化工业生产和人们日常生活中起到了关键作用，输送水、油、 燃气等的管道均为当今时代社会运行的重要基石。如果埋地管道遭受地震破坏， 除了会破裂或泄漏，还很有可能引起爆炸、中毒等其他事故，给社会和经济带来 重大灾害，对于震后恢复也会产生诸多不利的影响。我国领土面积大，地形地貌 情况颇为复杂，不同地区内的土壤性质差别较大，而且构造运动较为剧烈，存在 大量地震带，所以常有强地震灾难发生。地下管线穿越地区广，往往途经不同的 省、市、县，具有地理跨度大、历经地质条件及周边环境复杂的特点，跨越两种 土体是一种常见的场地情况。因此研究地震波作用下跨场地埋地管道的动力响应 规律，开展相关震害研究具有重要的意义，有助于改善地下管线的运行状态，使 其具有更高的安全性与稳定性。 本文基于目前的理论研究现状，以离心试验和数值模拟并重，对地震波作用 下跨场地埋地管道的动力响应规律开展了相关研究。首先对埋地管道的理论解析 方法和数值分析方法进行了介绍，之后以埋地管道为研究对象，构建了符合真实 情况的离心试验模型和有限元模型：设计了埋地管道的动态离心模型方案，利用 离心试验相似关系进行了模型的制作，运用离心机、离心机内双向独立振动台配 置完成了多个地震烈度下的离心模型试验，得出了处于跨场地条件下管道的地震 响应特征；同时采用 ANSYS 有限元分析软件，将埋地管道简化为弹性地基梁， 选择beam188 梁单元和Combin40 弹簧单元建立了跨场地埋地管道的有限元模型， 设置合理的网格精度，通过改变数值模型参数，对比研究了管道所处场地条件、 地震波峰值加速度对埋地管道地震响应的影响规律，据此建立了埋地管道轴向应 力峰值的一元及多元回归模型，达到简化工程分析过程的目的。 最后根据试验与有限元分析所获结果，将研究理论与工程实践相结合，提出 了具有针对性的抗震举措，确保在设计以及施工中有效防护管道，尽可能减少甚 至完全避免管道震害，给埋地管道的正常运行以及管线系统的整体安全带来更充 分完善的防护保障。 关键词：埋地管道，跨场地，地震响应，离心试验，数值模拟 I 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第一章 绪论 1 1.1 地震对埋地管道的破坏2 1.2 国内外研究现状4 1.3 埋地管道的动力影响因素7 1.3.1 地震因素8 1.3.2 场地因素9 1.4 本文研究内容 10 第二章 埋地管道地震响应分析方法11 2.1 埋地管道抗震的理论解析方法 11 2.1.1 基本规律和假定 11 2.1.2 拟静力分析法 12 2.1.3 反应位移法 14 2.1.4 规范法 15 2.2 埋地管道抗震的数值分析方法 17 2.2.1 弹性地基梁模型 18 2.2.2 壳体-等效弹簧模型 18 2.2.3 实体非线性接触模型 19 2.3 本章小结 19 第三章 跨场地埋地管道离心试验研究20 3.1 试验设备20 3.1.1 离心振动台21 3.1.2 模型箱22 3.1.3 数据监测系统23 3.2 离心试验基本原理24 3.3 总体试验设计27 3.4 模型设计与制作29 3.4.1 管道模型选取29 3.4.2 土体模型制作30 3.5 传感器布置32 3.6 试验箱体装置33 3.7 地震波加载方案35 3.8 试验结果分析37 3.9 本章小结42 第四章 跨场地埋地管道数值模拟研究44 4.1 管道有限元模型的建立44 4.1.1 建模背景45 4.1.2 建立有限元模型46 4.1.3 土弹簧刚度的选取49 4.2 地震波的选取和输入方法50 4.2.1 地震波的选取50 4.2.2 地震波的输入51