1、第五章 管道抗震设计计算 地震是最严重的自然灾害之一，例：1923年日本关东大地震，震级7.9级，震中烈度11度，距震中90公里的横滨市几乎被化为废墟，东京被烧掉三分之二，死亡近十万人；1960年智利大地震，震级8.9级，震中烈度11度，引起地面下沉、滑坡塌方、火山爆发、海啸，沿海一带的城镇、港口等大都被海浪冲走或陷入海里；1976年的唐山大地震，震级7.8级，震中烈度11度，唐山市房屋绝大部分倒塌。2008年的汶川大地震，震级8.0级，震中烈度11度，汶川大地震是中国一九四九年以来破坏性最强、波及范围最大的一次地震。全世界平均每年发生5级以上的地震130次。地震使管道破坏并产生严重的次生灾害
2、 地震对管道的影响：断层土壤液化地面波动 管道抗震的设计规定：设防地震动峰加速度为0.10.15g以上（地震烈度为七度）。5-1 工程抗震常识1、地震波 地震时，地下积蓄的变形能量以波的形式释放，从震源向四周传播。地震波主要分为体波和面波。体波主要有两种成分：压缩波（P波）：又称纵波或疏密波，其质点的振动方向与波的前进方向一致，可在固体或液体中传播。其特点是周期短、振幅小。剪切波（S波）：又称横波或等容波，其介质的振动方向与波的前进方向垂直，仅能在固体中传播。其特点是周期较长、振幅大。压缩波比剪切波的传播速度高。P波和S波示意ab压缩未扰动介质P波S波波长膨胀两倍波幅面波乐甫波(L波)和瑞利波
3、(R波)当体波从基岩传播到上层土时，经分层地质界面的多次反射和折射，在地表面形成的一种次生波。地震时，压缩波最先到达，然后是剪切波，再后是面波。2、震级 指在一次地震中地壳所释放出来的能量。释放的能量越多，震级越大；地震的震级一般采用里氏（里克特Richter）震级；一个6级地震释放的能量相当于一个2万吨级的原子弹；地震对地面的影响程度与许多因素有关，除了震级以外，还与震源深度、震中距等因素有关。3、烈度 地震烈度是指某一个地区、地面及房屋建筑等工程结构遭受到一次地震影响的强烈程度。一次地震对于不同的地区有多个烈度，即地震烈度。震级与烈度不能混淆。如唐山地震，震级7.8级，震源深度1216km
4、，震中烈度11度，各地烈度如下:烈 度范 围面积，km2 11度 10度 9度 8度 7度 唐山市 古冶到丰南 宁河、滦县、汉沽 天津市区 北京市部分地区 27.5 367 1800 7270 33300我国采用12度地震烈度法 烈度I，在特别易于感受的条件下，只有少数人才能感觉到；烈度II，只有在建筑物上层部位静止着的人们方能感觉到，易于摆动的悬吊物有摇摆现象；烈度III，在建筑物上层部位的多数人可感觉到，但大部分人不认为是地震。停着的汽车轻微摆动，有如卡车经过时的震动，可测知其持续时间。烈度IV，白天室内多数人，室外少数人可感知，盘碟、门窗摇动，墙壁作响，有如重卡车碰撞建筑物的感觉，停着的
5、汽车相当摇动；烈度V，人人可感知，多数人睡中醒来，窗玻璃有摇动，灰泥抹面裂缝，放置不稳的器物倾倒，电线杆、树木、塔状体的摇动有时可见，钟表停摆；烈度VI，人人受惊，跑出室外，重家具移动，灰泥抹面有脱落，烟窗有倾倒，稍有受灾；烈度VII，人人都跑出室外，质量好的建筑物几乎不受损害，一般的则有若干受灾，质量不好的有显著受灾。烟窗折断，人在行驶着的汽车中也可感受到地震；烈度VIII，质量好的建筑物也受有或多或少的灾害，一般的建筑物有相当的灾害，且有一部分倒塌。质量不好的建筑物遭受大的破坏，贴板墙面错动脱落，烟窗、柱、纪念碑、墙壁倾倒。泥沙少量喷出，井水发生变化，汽车行驶有障碍；烈度IX，质量好的建筑
6、物也有相当的震害，建筑物、构筑物的基础错位偏移，地面裂开，地下埋设管道破坏。烈度X，质量好的木造房屋倒塌，多数砖石结构和架桥结构连同基础一起遭到破坏，地面开裂，钢轨弯曲，斜坡与堤防滑移；烈度XI，砖石结构几乎全部倒塌，桥梁破坏。地面全面出现裂缝，地下埋设管道不能使用，软弱地基发生滑移，钢轨显著弯曲。烈度XII，全部遭到震灾，地面波动传播可知，地形变动，物体被抛起来。也可根据最大加速度来确定地震烈度美国地震烈度表烈度IIIIIIIVV加速度cm/s2432基本烈度 基本烈度是指某地区在今后一定时间内，在一般场地条件下可能遭受的最大地震烈度。按照国家地震局颁布的中国地震烈度区划图，全国分为：五度、
7、六度、七度、八度、九度共五个区。基本烈度 本地震烈度区划图上所标示的地本地震烈度区划图上所标示的地震烈度值，系指在震烈度值，系指在50年期限内，年期限内，一般场地条件下，可能遭遇超越一般场地条件下，可能遭遇超越概率为概率为10%的烈度值。的烈度值。抗震设防烈度 抗震设防烈度是按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。我国抗震设防范围为七、八、九度。九度以上的地区不宜建包括油罐在内的工业设施。5-2 场地及地基土类别的划分 震害表明，同一烈度区内，局部土质条件不同，建筑物的破坏程度差异很大。对地面运动的影响：软弱地基与坚硬地基相比，前者的地面卓越周期长，振幅较大，振动持续时间较长；
8、对地基的稳定和变形的影响：软弱地基易产生不稳定状态和不均匀沉降，甚至发生液化、滑坡、开裂等严重现象，而坚硬地基则很少有这种危险；改变建（构）筑物的动力特性：软弱地基对上部结构有增长周期、改变振型和增大阻尼的作用。各类地段的划分 类型地质、地形、地貌有利地段坚硬土或开阔平坦均实的中硬土等不利地段软弱土，液化土，条状突出的山嘴，高耸孤立的山丘，非岩质的陡坡，河岸和边坡边缘，平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的土层（如故河道、断层破裂带、暗埋的塘浜沟谷及半填半挖地基）危险地段地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等及发震断裂带上可能发生地表位错的部位场地土的划分 场地土类型土层剪切波速（m/
9、s）坚硬场地土vs500中硬场地土500vs250中软场地土250vs140软弱场地土vs140近、远震场地类别IIIIIIIV近震0.200.300.400.65远震0.250.400.550.85特征周期 5-3 砂土的地震液化 液化使土壤强度减少甚至完全丧失，管道由于支承丧失甚至还可能受到液化土的浮力作用，引起管道上大的变形而破坏。砂土液化的概念：“液化是使任何物质转化为液体状态的行为过程。就无粘性土而言，这种由固体状态变为液体状态的转化是孔隙水压力增大和有效应力减小的结果”。影响砂土液化的主要因素 砂土的粒度组成均匀的级配易于产生液化，就细砂和粗砂而言，细砂的渗透性比粗砂低，细砂比粗砂
10、更易液化。砂土的密度疏松的砂，孔隙大，易于液化，密实的砂则抗液化。砂层的有效覆盖压力覆盖土层越厚，就相当密闭容器的耐压强度越高，从而减轻了砂土液化对工程结构的影响。地震的烈度和持续的时间砂土能否液化，由地震所引起的土体内最大剪应力的情况和持续作用的时间来决定5-4 跨越断层管道的抗震设计 断层是两部分地壳板块之间挤压而导致断裂面，并沿该断裂面发生相对运动；断层类型有三种：走滑断层主要运动发生在水平面；正断层正断层使管道承受拉伸变形；逆断层逆断层使管道承受压缩变形。断层对管道的作用：破坏模式三种可能的破坏模式：拉裂、局部屈曲和梁式屈曲 埋地钢管在穿越正断层或以 90的交角穿越走滑断层时，主要承受
11、拉力，破坏模式为拉裂。通常极限拉应变取4%，大于该值即认为管道已发生拉裂破坏。地下管道穿越逆断层或以 90的交角穿越走滑断层时，主要承受压力，其可能的破坏模式包括局部屈曲和梁式屈曲。应力-应变曲线描述管道屈服后的应力-应变特性，可采用Ramberg-Osgood建议的关系式：Enryr11 式中，是工程应变，是轴拉应力，E 是弹性模量，y 是屈服应力,n 和 r 是 Ramberg-Osgood 参数。应变控制 管道的设计允许应变和荷载组合 受拉受压海底管道1%0.5%陆上管道4%0.35t/D荷载组合可只考虑断层位移断层位移+温度+内压1 国内外研究现状国内外研究现状理论模型理论模型 （1）
12、Newmark-Hall模型；模型；（2）Kennedy模型；模型；（3）王汝梁模型；）王汝梁模型；（4）刘爱文模型。）刘爱文模型。存在问题：不适合管道受压情况，且不能体现存在问题：不适合管道受压情况，且不能体现管截面的大变形情况。管截面的大变形情况。有限元模型有限元模型 管土相互作用采用土弹簧模拟，土弹簧刚管土相互作用采用土弹簧模拟，土弹簧刚度确定（度确定（ASCE指南）指南）存在问题：土弹簧刚度未考虑管沟参数及管沟存在问题：土弹簧刚度未考虑管沟参数及管沟内外土壤特性不同的情况。内外土壤特性不同的情况。认为管子变形为一条直线，管道的最大认为管子变形为一条直线，管道的最大应力及最大应变均在与断
13、层的相交处，应力及最大应变均在与断层的相交处，并且只考虑轴向摩擦力，忽略管子的弯并且只考虑轴向摩擦力，忽略管子的弯曲刚度和周围土体的侧向作用力，管材曲刚度和周围土体的侧向作用力，管材应力应力-应变曲线采用三折线模型。该方应变曲线采用三折线模型。该方法得到的结果偏于不安全。法得到的结果偏于不安全。三点改进：三点改进：(1)把管子变形分段即用圆把管子变形分段即用圆弧和直线分别模拟在断层附近和离断层弧和直线分别模拟在断层附近和离断层较远的管段变形；较远的管段变形；(1)在断层附近考虑在断层附近考虑周围土体的侧向作用力；周围土体的侧向作用力；(3)管材应力管材应力-应变曲线采用应变曲线采用Ramber
14、g-Osgood模型。模型。但由于该方法同样忽略了管子的弯曲刚但由于该方法同样忽略了管子的弯曲刚度，其计算结果多数情况下偏于保守。度，其计算结果多数情况下偏于保守。考虑了管子的弯曲刚度，离断层较远的考虑了管子的弯曲刚度，离断层较远的管道变形不再是简单的直线而是采用弹管道变形不再是简单的直线而是采用弹性地基梁的变形曲线模拟，将断层附近性地基梁的变形曲线模拟，将断层附近管子的变形假定为梁的挠曲线，并得出管子的变形假定为梁的挠曲线，并得出管道的最大应力及最大应变不一定在与管道的最大应力及最大应变不一定在与断层的相交处，而可能是在断层附近某断层的相交处，而可能是在断层附近某个点上的结论。个点上的结论。
15、考虑了剪力连续的边界条件，管材应力考虑了剪力连续的边界条件，管材应力-应变曲线采用应变曲线采用Ramberg-Osgood模型，模型，提出一种可以把提出一种可以把Newmark方法和方法和Kennedy方法作为特例包容进去的新方方法作为特例包容进去的新方法。法。2 基于应变的穿越活动断层埋地管道抗震设计方法研究基于应变的穿越活动断层埋地管道抗震设计方法研究Strike-slipNormalReversePossible VerticalComponentPossible Strike-slipComponentPossible Strike-slipComponentStrike-slipNo
16、rmalReversePossible VerticalComponentPossible Strike-slipComponentPossible Strike-slipComponent管线变形后形状 有限元模型有限元模型管土相互作用采用土弹簧模拟管土相互作用采用土弹簧模拟土弹簧刚度确定（考虑管沟影响）土弹簧刚度确定（考虑管沟影响）2.1 考虑管沟敷设参数的土弹簧刚度计算方法考虑管沟敷设参数的土弹簧刚度计算方法管轴方向管轴方向ASCE指南指南水平和垂直方向水平和垂直方向实际管沟截面内的平面应变有限元分析实际管沟截面内的平面应变有限元分析管道穿越断层的相交角度为管道穿越断层的相交角度为，断层
17、倾角为，断层倾角为。管道穿越水平位。管道穿越水平位移为移为 s s的走滑断层时，沿管道的轴向位移分量的走滑断层时，沿管道的轴向位移分量 x x和侧向位移分和侧向位移分量量 y y 分别为：分别为：ssx=cos y=-sin管道穿越垂直位移为管道穿越垂直位移为 p p的正断层和逆断层时，沿管道的水平分的正断层和逆断层时，沿管道的水平分量量 x x、水平侧向分量、水平侧向分量 y y和竖直分量和竖直分量 z z分别为分别为：pppxcossinycoscoszsin式中，式中，p p对正断层取正值，对正断层取正值，对逆断层取负值。对逆断层取负值。s s对右旋对右旋走滑断层取正值，对左旋走走滑断层
18、取正值，对左旋走滑断层取负值。滑断层取负值。2.2 断层位移预测断层位移预测n 管道模型管道模型ELBOWELBOW单元单元n 管材模型管材模型R-OR-O本构关系本构关系n 管管-土作用模型土作用模型PSIPSI单元单元 单元刚度单元刚度管轴方向：管轴方向：ASCEASCE指南指南 水平和垂直方向：实际管沟截面内的水平和垂直方向：实际管沟截面内的 平面应变有限元分析平面应变有限元分析 n 载荷条件载荷条件断层位移断层位移11nsaEn环向全壳积分，准确描述管道等薄壁结构复杂变形，适于管道截面椭圆化、扭曲或翘曲等问题，内压、温度 2.3 活动断层区埋地管道力学分析模型活动断层区埋地管道力学分析
19、模型算例算例西气东输二线西气东输二线管道管道1219 22mm，埋深，埋深2.5m，内压，内压12MPa；管材；管材X80，弹性模量，弹性模量 MPa。管沟管沟管沟底宽管沟底宽1.8m；管沟坡度；管沟坡度1：10。土体土体管沟土：砂土，密度管沟土：砂土，密度18KN/m3，内摩擦角，内摩擦角30，弹性模量，弹性模量30MPa。周围土：周围土：21.8m13.3m，弹性模量，弹性模量500MPa。51006.2管道主要受轴向压应力作管道主要受轴向压应力作用；用；管道最大应变出现在断层管道最大应变出现在断层两侧两侧2020米范围内，米范围内，0.65%0.65%。2.4 穿越活动断层埋地管道应变的
20、影响因素分析穿越活动断层埋地管道应变的影响因素分析断层断层逆断层，穿越角度逆断层，穿越角度40，断层倾角，断层倾角45，垂直位移，垂直位移1.41m。0100200300400500600700024681012应力（MPa）应变（%）X80HD1X80HD2X70西气东输二线强震区和活动断层段埋地管道基于应变设西气东输二线强震区和活动断层段埋地管道基于应变设计导则计导则容许拉伸应变容许拉伸应变 critttF1Ft管段的极限拉伸应变；critt；，安全系数取应力小于拉伸安全系数，当环向25.14.0stF。，安全系数取当环向应力大于等于5.14.0s容许压缩应变容许压缩应变当不考虑内压时 D
21、Fc3.0当考虑内压时 critccF1Fc4.02,2230000025.05.0yFPDstEPDcritc4.02,24.030000025.05.0yFPDsEFDcritcy2.4 穿越活动断层埋地管道应变的影响因素分析穿越活动断层埋地管道应变的影响因素分析2.4 穿越活动断层埋地管道应变的影响因素分析穿越活动断层埋地管道应变的影响因素分析优选优选由以上分析可知，该埋地管由以上分析可知，该埋地管道的最佳交角为道的最佳交角为10；最佳；最佳埋深为埋深为1.8m；最佳沟宽为；最佳沟宽为1.9m；安全壁厚为；安全壁厚为26.4mm。管道最大压缩应变由管道最大压缩应变由0.65%降低到降低到
22、0.22%，降低了，降低了66.15%。2.4 穿越活动断层埋地管道应变的影响因素分析穿越活动断层埋地管道应变的影响因素分析抗震措施优先顺序：抗震措施优先顺序：选择管道穿越活动断层的有利走向选择管道穿越活动断层的有利走向降低管土相互作用（管沟尺寸、埋深、回填土特性）降低管土相互作用（管沟尺寸、埋深、回填土特性）增加管道壁厚增加管道壁厚5-5 地震波动作用下管道的应力与应变 1.地面变形工程上把地震波视为平面简谐波，波动方程为vxtTatxy2sin,0任何复杂波均由简谐波迭加而成。管道在地震时将伴随周围土体一起变形 分别由纵波和横波确定管道的纵向和横向变形 VxtTVTaxy2cos120PP
23、PVxtTVTa2cos120SSSVxtTVTa2cos12020max2TaA其中:最大地面运动加速度 令:KgTaA20max24.092.081.07KKKKg度地震烈度度地震烈度度地震烈度与重力加速度的比值。面最大加速度地震系数，即地震时地重力加速度；其中:纵向和横向变形PPVKgT2maxSSVKgT2max2.地震波动时管道的应力根据地面运动，确定管道应力。EVKgTEPP2maxmaxSSVKgTG2maxmax地震应力迭加后的总的轴向应力值是否超过s，值得考虑。ErVKgEPBBE02maxmax理论方法（1）拟静力近似分析方法（最早由Newmark提出）；（2）反应位移方法
24、（由日本学者20世纪70年代提出）；（3）输油(气)钢质管道抗震设计规范法（SY/T0450-2004）；（4）运动-变形分析法（在前几种方法的基础上发展的，更准确的反映了地震波对管道的作用）。反应位移方法反应位移方法（由日本学者20世纪70年代提出）1hLuaEL2222hBDuaEL121121aL242121aL11gKEA242gKEI输油输油(气气)钢质管道抗震设计规范法钢质管道抗震设计规范法（SY/T0450-2004）C4aTgmax场地类型坚硬一般软弱剪切波速C(m/s)500300140特征周期Tg(s)一组0.250.350.45二组0.30.40.55三组0.350.45
25、0.75运动运动-变形分析法变形分析法（在前几种方法的基础上发展的，更准确的反映了地震波对管道的作用）)cos(82cossin222maxsasaTkDETTa3max53424cos4cos2bslsa DE Dvk v T度的度的EL-centro地震波；地震波；地震波沿着地震波沿着Y向支管传播；向支管传播；最大地震响应发生在第最大地震响应发生在第4.6s；三通最大应变达到三通最大应变达到0.2915%。Y向传播时三通的应变反应时程曲线向传播时三通的应变反应时程曲线埋地管道抗震设计上的考虑 管道选线时应避开9度以上的地震区；尽可能避开断层、滑坡、塌陷地区，避开饱和松散粉砂地段；通过断层区
26、的管道，管道与地层尽可能只相交一次，不能与断层平行，与断层的夹角以3080为宜，断层两侧至少60m范围内管道浅埋。通过液化区时，必要时可改在地上敷设，如果液化土较浅，可在液化土层以下稳定的土壤中；在管道出入地面部位，与三通、阀门和设备等的连接以及软硬土交错部位，应采用柔性连接。本章小结 油气管道的抗震设防烈度是七度。地震影响管道主要有三种作用：断层错动、土壤液化和地面振动。油气输送管道的抗震设计也是从这三个方面分别考虑。地震波是体波：纵波和横波。此外，在地表面形成两种形式的次生波面波：乐甫波(L波)和瑞利波(R波)。地震释放的能量大小用震级表示，一般采用里氏震级。地震烈度是指某一个地区、地面及房屋建筑等工程结构遭受到一次地震影响的强烈程度。我国将地震 烈度分为12度。断层是两部分地壳板块之间挤压而导致断裂面，并沿该断裂面发生相对运动。断层类型有三种：走滑断层、正断层和逆断层。走滑断层的主要运动发生在水平面，根据管道-断层的相交角度不同，可导致管道拉伸或压缩。正断层和逆断层的主要地层位移是在竖直方向。正断层使管道承受拉伸变形，而逆断层主要使管道承受压缩变形。砂土液化使土壤强度减少甚至完全丧失，影响土壤液化的因素有：砂土的粒度组成、砂土的密度、砂层的有效覆盖压力、地震的烈度和持续的时间。根据地面在地震波作用下的运动计算管道的应力。
