基于ANSYS和EPANET的供水管网抗震预测模型研究.docx

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基于ANSYS和EPANET的供水管网抗震预测模型研究

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论文导读:：为了对管网中的抗震脆弱点（区域）进行分析以便有的放矢地开展抗震设防工作，，本文建立了基于ANSYS与EPANET的供水管网抗震预测模型。通过ANSYS环境下建立的微观模型进行模拟实验，可以获取各种典型接头在地震波影响下的位移和应力值，并改变参数进行平行实验而得到多组数据，在EPANET环境下建立宏观管网拓扑模型，计算各个节点的“位移危险值”指标和“应力危险值”指标；然后以四川省江油市供水管网实际地震受损调研资料进行了预测方法的验证。

论文关键词：地震，供水管网，损失评估，预测模型，ANSYS，EPANET

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地震威胁着人类社会的发展和进步，但是近几年就发生了诸如国内的汶川地震、玉树地震，国外的智利太子港、新西兰克莱斯特彻奇、日本宫城等特大地震，对于城市造成了巨大损坏，同时这些地区的供水管网也遭受了严重损失，故有必要展开供水管网的抗震预测理论研究。无小不成大，微观组成要素对于宏观效果表现具有极其重要的影响；知微见著，从一件事的苗头即可判断其发展的趋势，可见找出诱发事件的原因与兆头之重要性。本文研究即着眼于供水管网损坏的主要诱因——地震波冲击造成的管网危险性，由微观模拟实验到宏观模型预测地质论文，建立了一个完整的供水管网抗震预测模型，阐述了建模的流程、预测的步骤，并结合实际地震资料予以验证，做到了理论联系实际，研究成果可以预测管网地震相对危险点亦即抗震相对脆弱点（区域）,进行针对性的抗震加固设防，既可减少管网损坏的可能性，又可防止对设防平均用力造成资金浪费，经济、高效地保障地震期间的用水安全。

1预测方法流程

1.1预测方法

ANSYS为一基于有限元分析的功能强大的计算软件。EPANET软件是由美国环保总署主持开发研究的水力计算软件，主要用于压力管网水力计算、管网平差、水质模拟[[1]]，。相关文献[[2]][[3]][[4]][[5]]和汶川地震调查均表明：管道在地震中损坏的主要原因多为接头的位移过大和应力集中，所以可考虑用有限元分析的方法计算出某一管道在特定条件（地震波、土质等）下的位移和应力分布以判断损坏情况。目前学术界对于单根管和两根连接管的抗震性能已有不少研究[2][3][4][5][[6]][[7]]，但是对于地震造成的供水管网全面损坏若使用有限元工具（例如ANSYS）进行模拟分析从速度、精度方面均不现实。故考虑按照从部分到整体，微观到宏观的思路，从1根管道推广到2根管、4根管、12根管、16根管，其中考虑了接头形式（弯头、三通、四通）、环状网、末端的水源点和用水节点，输水管、用户管等形成微观模型——其演化过程如图1所示。

图1微观模型演化过程

对微观管网模型抗震性能研究后，进行多组模型的平行模拟以积累基本数据，将实验结果推广到实际城镇的供水管网中进行宏观管网模型进行预测，按此步骤形成预测模型结构如图2所示cssci期刊目录。

图2预测模型结构模块图

1.2预测流程

整个预测的流程首先进行若干平行实验（模拟），每个实验中包括几何建模、单元定义和网格划分、土体约束施加，并加载地震波得到各接头的位移应力数值地质论文，然后将实验数据进行处理加工，再建立城镇供水管网宏观模型，将实验数据应用到宏观模型中对供水管网的地震危险值分布作出计算从而完成预测。预测详细流程见图3。

图3预测模型流程图

2预测步骤实例

2.1收集基础资料

微观、宏观模型所需资料结构及其推求关系如图4、图5所示。

图4微观模型所需资料结构推求关系图

图5宏观模型所需资料结构推求关系图

2.2微观模拟实验

用ANSYS建立一田字形微观管网，如图6所示：假设各管段管长、管径、管材都相等；田字形包含四通、三通、弯头等典型接头形式，伸出的两端分别代表水源端和用户端。

图6田字形微观模拟实验模型

管体选用梁单元类型beam188，截面设置为圆管ctube，输入外半径Ro、内半径Ri以及管材密度ρp、弹性模量E等。如图7所示，水体质量考虑并入管壁中，则计算等效密度为：

（1）4.1）

ρ——管段模型等效密度，kg/m3；

ρp——管材密度，kg/m3；

ρw——水密度，kg/m3；

Ri——管段内半径（Radiusinside），m；

Ro——管段外半径（Radiusoutside），m。

图7beam188截面示意图

土对于管体的作用，参考王汝樑等人的研究[2]，用土弹簧来模拟，在ANSYS的建模中借助弹簧单元单元combin14来实现。

网格划分采用规则形式均匀划分：管段轴向以0.1m为一单元长度；横截面按径向等分8片。

加载采用地震反应谱法，谱类型为“频率—加速度”单点响应谱，水平方向。谱分析的地震波参数包括地震影响系数、地震特征周期、阻尼比，按