埋地管道地震響應(yīng)研究綜述

(北方工業(yè)大學(xué) 北京 100144)

一、引言

埋地管道是城市重要生命線工程，也是非常特殊的地下結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)埋于地下，在發(fā)生地震時(shí)其受力狀態(tài)較為復(fù)雜，因此對(duì)埋地管道地震響應(yīng)問題開展研究有著重大意義。

二、研究現(xiàn)狀

縱觀中外研究成果，近年關(guān)于地震波作用下埋地管道的研究工作已有巨大進(jìn)展。所得成果主要如下：

Newmark[1]提出地震波作用下埋地管道的理論方法，忽略了慣性力的影響，并假定管道與土共同運(yùn)動(dòng)，開創(chuàng)了埋地管道的動(dòng)力響應(yīng)研究，目前世界各國(guó)規(guī)范都基于該假定。

日本學(xué)者[2]提出了反應(yīng)位移法，建立了地震波作用下管土作用分析模型，本法將地震波簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)諧波，將管道簡(jiǎn)化為彈性地基梁，將土簡(jiǎn)化為分布均勻的線性彈簧，可以合理準(zhǔn)確地評(píng)估分析地震波作用下管道的動(dòng)力響應(yīng)。

沈世杰等[3]廣泛搜集了與管道震害有關(guān)的大量資料，同時(shí)對(duì)動(dòng)力學(xué)波動(dòng)理論進(jìn)行總結(jié)論述，探討了地震作用下管道及其四周土體應(yīng)變情況，提出管道與周圍土體之間應(yīng)變傳遞計(jì)算公式。

Shinozuka[4]將慣性力忽略，通過假設(shè)管-土傳遞系數(shù)分析求得管-土界面應(yīng)變。綜合分析得出:震級(jí)較高的情況下，管土?xí)霈F(xiàn)相對(duì)位移現(xiàn)象；震級(jí)較小情況下，管土?xí)霈F(xiàn)共同變形現(xiàn)象。

Hindy和Novak[5]有效分析了管土動(dòng)力相互作用，首次提出了管-土間相互作用的概念，同時(shí)系統(tǒng)地研究了地震波波速、管道埋深、管道直徑、管道接頭型式等因素的影響作用。得出在地震波作用下管線軸向應(yīng)變遠(yuǎn)大于彎曲應(yīng)變；深埋管道當(dāng)受到管線動(dòng)力相互作用時(shí)，軸向應(yīng)力降低等結(jié)論。但該理論只適用于深埋管線。

Wang[6]將阻尼力、慣性力略去，運(yùn)用擬靜態(tài)分析法研究分析了各種地震波作用下影響管道軸向應(yīng)力應(yīng)變的可能要素，同時(shí)指出：土質(zhì)均勻性、地震波入射角度這兩個(gè)因素的作用最為關(guān)鍵。

M.J、O’Rourke等[7]對(duì)地震波影響下管道、土體應(yīng)變和管土之間出現(xiàn)的滑動(dòng)關(guān)系進(jìn)行研究，同時(shí)提出：假如管土發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，管道應(yīng)變會(huì)因此變小，考慮到土體應(yīng)變相對(duì)來講比較大，所以周圍土體應(yīng)變下降到某個(gè)水平時(shí)，管道應(yīng)變會(huì)接近于土體應(yīng)變，管土之間只會(huì)出現(xiàn)較小的相對(duì)滑動(dòng)。

仲偉濤、孫紹平等[8]開展試驗(yàn)研究，探討了管道表面粗糙程度與管土間作用力之間的關(guān)系，結(jié)果證明：管道表面粗糙度會(huì)影響管土間摩阻力，粗糙程度與管土間摩阻力正相關(guān)；實(shí)驗(yàn)控制使得管土間摩阻力、管土相對(duì)位移增大，得出了摩阻力的極限值以及相對(duì)位移最大值。

王海波、臨皋[9]運(yùn)用邊界單元法將地震波輸入研究系統(tǒng)，分析了半無限彈性介質(zhì)內(nèi)土體和管道的作用和影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)：影響管土間作用的主要因素是埋深，埋深越大，尤其當(dāng)埋深超過3m時(shí)，管道受到的影響會(huì)逐步下降，管土間效應(yīng)此時(shí)也會(huì)逐步削弱；管土作用強(qiáng)弱和地震波頻譜成分有關(guān)，管土共振效應(yīng)通常出現(xiàn)在有較大位移的情況下，地震波振動(dòng)頻率會(huì)對(duì)管道位移改變?cè)斐捎绊?，兩者正相關(guān)，且共振反應(yīng)較小。

楊敏、劉全林[10]主要構(gòu)建了包含材料剛度在內(nèi)的多個(gè)參數(shù)的管土作用分析模型，并根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)修正了研究模型，最終得到了參數(shù)分析的公式。

梁瑞[11]構(gòu)建了管土作用分析的有限元數(shù)值模型，同時(shí)根據(jù)工程實(shí)例針對(duì)埋地管道地震響應(yīng)問題進(jìn)行了計(jì)算分析，所得結(jié)果證明運(yùn)用此分析模型計(jì)算管道動(dòng)力響應(yīng)可有效評(píng)價(jià)地震波對(duì)于埋地管道安全問題造成的影響。

趙新濤、程貴海等[12]主要分析研究了管土作用、變形傳遞系數(shù)兩個(gè)因素影響管道地震響應(yīng)的問題，運(yùn)用靜力法得到了管道應(yīng)力應(yīng)變方程。根據(jù)算例數(shù)據(jù)研究得知：地震波作用下，管道接口處較其他位置通常更容易受損，工程施工過程中擴(kuò)大管道橫截面、增強(qiáng)接口強(qiáng)度對(duì)抗震設(shè)防有利。

劉曉曉、李立云等[13]運(yùn)用ABAQUS有限元軟件分析，將黏彈性人工邊界、管土作用、非線性反應(yīng)等因素納入分析模型，對(duì)管土接觸作用進(jìn)行模擬，構(gòu)建埋地管道在地震波作用下的數(shù)值分析模型，同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了所得數(shù)值結(jié)果并指出：本模型能夠有效分析管道在地震波作用下的響應(yīng)情況，其與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，管道軸向應(yīng)變表現(xiàn)出紡錘狀變化勢(shì)態(tài)。

薛景宏等[14]對(duì)比分析了時(shí)程分析法和規(guī)范法計(jì)算得到的埋地管道軸向動(dòng)力反應(yīng)數(shù)值，發(fā)現(xiàn)后一方法計(jì)算所得數(shù)值更大。

三、總結(jié)與展望

對(duì)于發(fā)生地震時(shí)，埋地管道的動(dòng)力響應(yīng)研究從上世紀(jì)六十年代就已開始,同時(shí)也取得了一定的成果。但是，迄今為止關(guān)于地震作用下埋地管道的特性研究仍并不充分;對(duì)于埋地管道抗震性能試驗(yàn)方面的研究，國(guó)內(nèi)外開展的工作還相對(duì)較少。因此地震波作用下埋地管道的動(dòng)力響應(yīng)，依然是值得深入研究的問題。