（一般力学与力学基础专业论文）埋地输流管道动力学特性及其影响因素分析.pdf

摘要 摘要 埋地输液管道系统属于重要的生命线工程，是一种特殊的地下结构，在能源 输送、城市给排水、化工及核工业等领域中有着广泛的应用。以往关于埋地管道 的研究主要集中在外部激励下的管道动响应及管内流体动态特性两个方面，但都 很少考虑到流固耦合的作用。然而，关于地上载流管道的研究结果却表明，流体 与结构之间的耦合作用可使系统动力学性能发生显著改变。本研究主要是为了探 索流固耦合作用对埋地管道动力学行为的影响。 文章首先以振动理论、流圆耦合理论为基础，利用行波方法建立了埋地输流 管线系统的动力学分析模型，研究了泊松耦合、连接耦合、支承条件及土质条件 对埋地管道系统振动特性的影响。然后，基于建立的行波分析模型，将外激励描 述为简谐激励，分析了管道结构在管内脉动流体作用以及管外s h 波作用下的动 力学响应问题，并讨论了影响结构响应的一些因素。为了保证系统模型的准确性， 文中探讨了系统建模中的一些参数取值问题。 管流地震动水压力是除水锤作用外，对输流管道破坏较强的又一流体作用。 以往的管道地震动水压力设计，大多将流体处理为刚体，这在一定情况下可能是 不安全的。为了研究流体可压缩性对管流地震动水压力的影响，文章利用模态叠 加法及地震反应谱理论，建立了分析输液管线地震动水压力的数学模型，提出了 两种典型工况下的动水压力计算公式，并将计算结果与不考虑流体可压缩性时的 刚体动水压力进行了比较，对管流地震动水压力的影响因素进行了讨论。 数值算例分析结果表明，管内流体脉动对管内应力有较大影响，流固耦合作 用可使埋地管道系统的s h 波响应大幅提高，管道直埋有利于管道受力性能的改 善，且硬土的效用高于软土；进行管道动水压力设计时不考虑流体可压缩性，可 能带来较大的误差，输液管线中的地震动水压力不仅与地震烈度及静水压力有 关，还与管线长度、场地类型、管流所处工况、地震反应谱以及管内流体波速有 重要关系。 最后，为了证实行波方法的有效性及流固耦合作用对系统动力学行为的影 响，从实验的角度研究了一单跨管道的频谱和频响特性。研究结果表明，流固耦 合作用可使系统轴向振动固有频率发生显著改变，考虑流体作用时，整个系统的 频率分成了流体组和管道组；比较管道充液前后结构轴向和横向冲击响应的不 同，说明了流体对管道冲击响应的影响作用。 关键词：埋地输流管线；流固耦合；动力学特性；脉动激励；s h 波；动响应； 西北工业大学硕士学位论文 地震动水压力；影响因素 i i a b s t r a c t f l u i d c o n v e y i n gb u r i e dp i p e l i n e ，ak i n do f p a r t i c u l a ru n d e r g r o u n ds t r u c t u r c ，i sa n i m p o r t 柏tc o m p o n e n t0 fl i f e l i n ee n g i n e e r i n g 锄dw i d e l yu s e di i lm a n yf i e l d s ，s u c h 勰 e n e r g yd e l i v e r i n g ，、a t c rs u p p l ya i l d w e r a g c ，c h e m i c a l 跏g i n e c r i n ga n dn u c l e a f i n d u s n y if o m e r r e s e a r c h e so nb u r i e dp i p e l i n em a i n l yf o c u s e do nd y n a m i cr c s p o n s e o fs 仉l c t i l r cu n d e re x t c m a ld r i v c 觚dd y n 锄i cc h a 埔c t e r i s t i c 锄a l y s i so fp i p ef l o w ， w h i l et i i e n u i d _ s t m c t i l 辑i m e r a c t i o n ( f s i ) w a ss c a r c e l yc o n s i d e r c d h o w e v e r t h e s t u d yf i n d i n g so ft h ea b o v e g r o u n dp i p i n gs h d w e dt l l a tf s im a d ean o t a b l ei m p a c to n d y n a m i cp m p e r i yo ft h ep i p i n gs y s t e m t h ep u r p o s eo ft l l i ss t u d yi st oe x p l o r ct h e i n n u e n c eo f f s io nt h ed y n a m i cb c h a v i o fo f b u r i e dp i p e l i n es y s t e m b a s e do nv i b r a t i o nt l l e o r y 锄dn u i d - s t n l c t u r ei n t e m c t i o nt i e o r y ，l h i sa r t i c l ef i r s t l y e s t a b l i s h e dt h ed y n a m i c 粕a l y s i sm o d e lo fb u r i e dp i p e i i n es y s t e mu s i n gt r a v e l i n g w a v em e t h o d ，锄dd i s c u s s e d 也ei n n u e n c eo fs u c hf k t o r s 邪p o i s s o nc o u p l i n g ， c o n n e c t i o nc o u p l i n g ，鲫p p o r t i n gc o n d i t i o na n ds o i ls i t t l a t i o no ns y s t e mv i b r a t i o n p e r i o 眦a n c e a c c o r d i n gt 0 伽w e l i n gw a v em o d e lf o u n d e df o 咖e r l y ，d y n a m i c r c s p o n s e so ft h ep i p es 饥l c t u r eu n d e re x c h a t i o no fi n t e m a lp r e s s u r cp u l s ew a v e 锄d e x t e m a ls hs e i s m i c 、v a v ew e r ca n a l y z e dr c s p e c t i v e l y ，a n dt h ei n n u e n c i n gf l a c t o r s w e r ed i s c u s s e d i i la d d i t i o n ，m i sp a p c r 印e c i a l l yi n v e s t i g a t c dl h es a m p i i n gp r o g r c s so f s o m em o d e ip a m m 酏e r sf o rg e t t i n ga c c u r a t e 彻a l ”i cm o d e l e x c e p tw a t e r h a m m e e a r t h q u a k ed y n a m i cw a t e fp r c s s u r ei sa n o t h e rf l u i da c t i o n ， n o tt 0b ei g n o r e d ，o np i p i n gs t m c t i i r e i nt l l ec o u r s eo fc u r r e n tp i p e l i n ed e s i g nf o r e a r t h q u a k ed y n a m i cw a t e rp r e s s u r e ，t t l en u i di np i p ei s 璐u a l l yt r c a t e da sr i g 甜b o d y w h i c hm a yb eh 删o u s ms o m ec 船e s i i lo r d e rt 0 彻a l y 硝t t i ei n n u e n c eo fn u i d c o m p 陀s s i b i l 劬t l l i sp a p e re s t a r b l i s h e dn 他c a l c u l a t i n gm o d e lo fh y d r o d y n a m i c p f e s s u t eu s i n gr e s p o n s es p e c t r u mm c t h o db 硒e do nv i b r a t i o ns 印甜a t e d ，w i t hf l u i d c o m p r c s s i b i l i t y 锄dt u b ew a l le l 硒t i c i t yc o n s i d e 佗d ，a n dh y d r o d y n a m i cp r c s s u r e s u n d e rt w ok i n d so f w o r k i n gc o n d i t i o nw e r ec o m p u t e d ，a i l dt h ec a l c u l a t i o nv a l u e sw e r c c o m p a r e dw i t l lt h er i g i dd y n a m i cw a t 盯p r e s s u r e s 1 na d d i t i o n ，t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r s o np i p en o w h y d r o d y n 枷i cp m s s u r ew e 陀d i s c u s s e d t h ec a l c u l a t i n gr e s u l t so fs t n i c t i i r a lr e s p o n s es h o wt h a tp r e s s u 陀f l u c t u a t i o no f t h ep i p ef i o wh 邪锄i m p o r t 锄ti n f l u e n c eo np i p es t l s s ，f s im a k e st l l ep i p i n gs y 咖m r e s p o n s et 0t h es hs e i s m i cw a v ei n c r c a s eb yab i gm a 娼i n ，m e c h a n i c a lp r o p e r t yo f i 西北工业大学硕士学位论文 p i p i n gs y s t c mc 肌b ei m p r o v e dw h e np i p e l i n ei sb u r i e d ，a l l dt h ef h n c t i o no f h a r ds o i l i sb e t t e rt i l a ns o f ts o i l t h ea n a l y s i sr c s u l t so f h y d r o d y n a m cp r c s s u r ei n d i c a t et h a ti ti s n o to n l y 托l a t c dt os e i s m i ci n t c n s i t y 孔di n i t i a lh y d r o s t a t i cp r c s s u r c ，b u ta l s oh 硒 c l o s e dr e i a t i o n s h i pw i mo t h e rf a c t o r s ，s u c h 鹅p i p er 明g e ，s i t ec a t e g o r y ，w o r k i n g c o n d “i o no f p i p en o w ，s e i s m i cr e s p o n s p e c t m m ，锄dn u i dw a v ev e l o c i 谚 l a s t l y ，i no r d e rt ov a l i d a t cm ei n n u e n c eo ff s io nd y n a m i cp r o p e r i yo ft h e p i p i n g s y s t c m ，t h i sp 印e re x p e r i m e n t a l l ys t u d i e dt l l es p e c 仇l mc h a m c t e r i s t i c s 孤d s p e c t r a lr e s p o n s e so ft h ep i p ew h e n i tw 嬲e m p t y 肌df o u lo fw a t e r t h ea n a l y s i so f f s ij n d j c a t c st h a t “m a l 【e ss y s t 锄i 1 1 埘n s i cp r o p e r t yv a f ys i g n m c a n t l y ，a n ds y s t e m 疗e q u e n c i e sa r ed i v i d e di n t ot w og r o u p s p i p i n gg m u pa n df l u i dg r o u p w h e np 和 f l o wi sc o n s i d e r e d c o m p 撕n gt l l e 双i a l 孤df l e 如r a l i m p u l s e 佗s p o n s eo fm ee m p t y p i p ea n dw a t e rf i l l e dp i p e ，t h ee n h 舭c e m e n to f t h ef l u i do np i p ei m p u l s er e s p o n i s i l l u s t m t e db ye x p e r i m e n t k e yw o r d s ：f l u i d - c o n v e y i n gb u r i e dp i p e l n e ；f s i ；d y n a m i cc h a i 口c t e r i s t i c ；p u l s a t i n g e x c i 诅t i o n ；s hs e i s m i cw a v e ；d y 舱m i cr e s p o n s e ；e a n h q u a k ed y n 枷i cw a t e rp r e s s u r c ； i n n u e n c i n gf 乱t o r s 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查 阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作 者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：燃指导教师签名：乏丝 z o 钾年弓月z 男日 沙 年月蹭日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的 学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所 知，除文中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人或他人已 申请学位或其它用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：燃 z d 瞻弓月四日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在能源输送，城市给排水、化工业及核工业等工程领域中，埋地输液管道系 统均得到了广泛应用。目前，全球已建成2 3 0 多万公里管道，总长度已超过了铁 路总里程，成为能源运输的主要方式。世界上9 5 以上的天然气、8 5 以上的原 油运输都是通过管道输送实现的。在发达国家和中东产油区的油品运输全部实现 了管道化。随着我国“西气东输”和“南水北调”工程的相继启动，我国每年将 建设各种输水、输油、输气管道几十万公里，并且根据已公开数字分析，城市内 部总计有大约1 9 万公里长的输送管道需要新建或修复。因此，管道运输将成为 资本运作的频繁区域，据保守统计，仅市政管网建设就具有数千亿元市场。目前 许多城市正在大力更新和新建城市供排水管道系统，管网投资成为一大热点。 输液管道系统的振动问题一直是影响管道安全、机械寿命等工作性能的关键 因素，是多年来振动领域研究的热点之一。而埋地管线抗震更是很多工程师除腐 蚀外最为关心的问题。管道振动问题为多种振动波耦合问题，振动机理非常复杂， 主要分为以下两大类：一类是由压力波动导致的水锤现象，属载荷问题；另一类 是由于振动导致的管道系统失效或损坏，属响应问题。以埋地能源输送管道系统 为例，机械振动导致管道连接件的松动，发生漏油或漏气，并且可能导致结构发 生疲劳破坏。而地震作用下，管道运输的正常使用功能不仅会遭到破坏，还可能 发生严重的次生灾害，造成严重的经济损失和人员伤亡。为了提高设计阶段对管 道振动特性预测的精度，保证管路系统的运行可靠性，必须建立合理的管道流固 耦合动力学模型，并采用具有较高精度的计算方法来预测管道系统的振动特性。 只有将系统本身的动力学性能了解清楚了，才有可能对外荷载作用下的管道系统 响应做出准确的估计，为埋地管线的动力学设计提供更可靠的依据。本文的工作 具有重要的工程实际意义和广泛的应用背景。 1 2 文献综述 长输管道运输是能源输送的重要手段，在现代化工业生产和人们的日常生活 中占有相当重要的位置。按长输管道的埋设方式可分为埋地管道、跨越管道和穿 越管道。埋地管道埋于地下，延伸很远且为土，砂等介质包围，抗震问题较为复杂。 西北工业大学硕士学位论文 跨越管道置于地上，是管道工程跨越河、沟、渠等的重要手段。穿越管道在输液 管线通过公路、铁路、河流及建筑物时使用的较多，管道外侧一般耍加套管。埋 地管线在输油、供水，供气、供电以及通信等方面得到了广泛的应用，成为现代 工业和城镇生活的大动脉，因而被称为生命线工程。 埋地管道所涉及的问题极为广泛，对在役埋地管道的研究主要集中在以下几 个方面。( i ) 地震荷载、交通荷载等外部激励作用下的管道动响应分析。通过对 管道结构力学行为和振动特性的研究，可以对管道进行精心设计，并采取有效措 施，提高管系设备和结构的抗振能力。( 2 ) 管道内液流压力降及水击分析。根据 引起管流压力变化的不同机理，用流体力学理论，得出流体压力变化规律，并采 取相应措施把其控制在许可范围内之内，以尽量避免水击现象的发生。( 3 ) 土体 滑坡、地面沉降、冲击荷载等作用下埋地管道挠度、变形及裂纹扩展分析。( 4 ) 管道的在线损伤检测及失效评估。( 5 ) 管道内介质流动传热效率及热损失问题。 由于本文主要关心的是s s i ( s o i l s t r u c t u r ei n t e r a c t o n ) 及f s i ( f l u i d - s t m c t u i n t c m c t i o n ) 作用下，埋地管线的动力学特性及外激励下系统的动响应问题，所以 仅就地震荷载、交通荷载作用下的管道反应以及地震动水压力方面的研究成果及 研究趋势作综合论述。另外，关于管道流固耦合振动分析以及行波方法方面的研 究也与本文密切相关，作者也将予以简要地介绍。 1 2 1 埋地管道的抗震研究与进展 埋地管道作为城市生命线工程的一种重要组成单元，在整个生命线系统中的 五个子系统中都有使用，对人们的日常生活和工作起着非常关键的作用。大量的 地震灾害调查表明，地震不仅直接破坏生命线工程的正常使用功能，而且还可能 产生严重的次生灾害( 如火灾、爆炸、地面沉陷等) 。致使城市、工矿、化工及电 力企业处于瘫痪状态，致使石油、天然气泄漏污染环境，其经济损失和人员伤亡 常常是非常严重的。自上世纪6 0 年代开始，国内外很多学者就埋地管道的抗震 问题进行了广泛的研究，内容大致包括：( 1 ) 土壤结构系统相互作用模型及地 震响应分析；( 2 ) 不均匀场地对管道地震反应的影响；( 3 ) 管道连接处的位移与 应力；( 4 ) 管线地震响应分析中的相关参数；( 5 ) 特殊地形下( 断层，液化区) 管道的地震响应。本文不关注断层和液化区输液管线系统的地震响应问题，所以 只对前四个方面的研究内容做以下评述。 1 2 1 1 土壤一结构系统相互作用模型及地震响应分析 n m n e w m a r k 早在6 0 年代末就对地下管线的抗震问题进行了研究，但他在 第一章绪论 分析中忽略了惯性力的影响，假定管土无相对位移，管线与土一起运动。由于 该方法认为管应变等于土应变，过高地估计了地震作用下的管道位移，所以基于 该方法的埋地管线抗震设计过于保守。但是，目前包括美国在内的一些国家的相 关规范还基于该假定。栗林荣一等日本学者在7 0 年代提出了管土相对位移模型， 该模型将管线简化为弹性地基梁，将土简化为均匀分布的线性弹簧，将地震波简 化为简谐波。该方法虽然有很多需要改进的地方，但由于考虑了管土相对位移及 惯性力，使埋地管线的抗震设计更加趋于合理，为以后的管线设计提供了新的思 路。目前，日本规范大都基于该方法，我国规范中的管土相对位移系数的概念 也来源于该模型。m s h i n o z u k a ( 1 9 7 9 ) 略去惯性力影响，由假定的管土问传递系 数和临界剪切应变得出管一土界面应变。研究指出，当土应变很小时，管应变等 于土应变，即管土共同工作；当土应变较大时，管应变远小于土应交，管土发生 相对位移。这是对以上两种模型的综合考虑，也就是说，当地震等级较小时，管 土共同变形；当地震等级较高时，管土发生相对位移，甚至发生管道滑移。由于 埋地管道抗震设计一般是针对高烈度地区而言的，所以目前很多规范更倾向于管 土相对位移模型。r a p a m e l e e ( 1 9 7 5 ) 首次将管线简化为半无限空间中的圆柱壳， 土与管线之间相互作用采用静态m i n d l i n 解求解，为以后的半无限空间理论和相 互作用理论奠定了基础。s k d a t c a ( 1 9 8 2 ，1 9 8 7 ) 等采用圆柱壳模型在半无限空间 和无限空间中对管道进行动力分析，发现铺设管道的回填土对管道应力有重大影 响，地震波波长和土介质刚度对管道响应有很大影响，长波长地震波作用下的软 土中管道将发生较大位移【l 。”。t i k d 8 t t a 【8 】( 1 9 9 9 ) 对国外埋地管道抗震分析及震 害评估作了综合性评述。文章指出，虽然地震行波作用下的管线响应问题得到了 广泛关注，得出了许多关于地震应力计算的简化公式，但考虑随机地震激励输入 的不多，关于管网系统的地震响应研究也很不充分，而随机地震激励作用下管网 系统的风险分析更是没有引起足够的重视。y a s u oo g a w a l 9 l ( 2 0 0 1 ) 通过定义许可 剪切应力建立了管相对滑移模型；通过定义滑移因子估计了滑移作用导致的管 道应力减小量；提出了一种估计强震作用下管道塑性变形的简化设计方法，获得 了计算弯管结构变形的实用公式。 我国叶耀先等( 1 9 7 6 ) 通过爆炸试验得出，管埋在松散介质中，管土出现相对 位移，直管轴向应力下降；埋在紧密介质中，管土接近共同变形，直管轴向应力 较大。说明了管道周围介质类型对土结构相互作用模型及管内轴向应力有重要 的影响。王海波、林皋( 1 9 8 8 ) 采用边界单元法，林皋、李炳奇( 1 9 9 4 ) 应用随机振 动理论，孙绍平、刘为民( 1 9 9 4 ) 应用地面运动相关理论和m i n “n 相结合的方法 分析了地下管道的地震反应【3 7 】。郭海燕等【l o 】( 1 9 9 5 ) 对地上充满液体管道进行地 震反应分析，用半解析法求解竖向地震作用下管道的弯曲振动响应问题。张进国 西北工业大学硕士学位论文 等【”】( 1 9 9 7 ) 针对地震作用下的埋地管道纵向振动微分方程，利用加权余量法计算 了地震作用时管道的纵向运动位移响应。屈铁军【1 2 】( 1 9 9 7 ) 利用级数法分析了埋地 管道在多点激励作用下的弯曲振动响应问题。侯忠良等【i3 】( 1 9 9 8 ) 以土弹簧模拟管 土之间的相互作用，按场地和地震条件拟合地震位移时程并将其作为输入，考 虑管道与周围土体的相对位移和地震作用的最不利入射方向，按埋地管道的真实 三维模型求解7 管道的地震响应。郭恩栋等i l4 】( 1 9 9 9 ) 采用有限单元法，将管线模 拟成梁单元，将土体模拟成弹簧单元，并同时考虑其非线性特征，求解了在断裂 位移和连续渐变位移作用下管一土弹簧系统的动力平衡方程和振动响应。薛景宏 等畸1 6 j ( 2 0 0 0 ) 利用有限元法对埋地管线轴向和横向地震动响应进行了分析。分析 结果表明，土壤剪切模量及管径对管道轴向及横向应力有很大影响：土质条件对 内力影响较大，土质越软，应力越大；流速对管道的频率和应力影响不大。虽然 该模型考虑了流体与管道之间的摩擦耦合作用，但摩擦耦合对埋地管道的振动性 能影响很小。另外，有限元方法对埋地空管道抗震分析是比较适用的，如果考虑 管内液体与管道之间的泊松耦合及连接耦合作用，有限元方法就显得繁琐而不精 确了，因为该方法需要对流体与管道分别建模分析。李听等【l ”( 2 0 0 1 ) 利用神经网 络方法，建立了管道单体地震反应预测模型和管道系统连通性预测模型。帅建等 t 9 】( 2 0 0 2 ，2 0 0 3 ) 将实际地震模拟为随机激励，研究了埋地管道的平稳及非平稳 随机响应，考虑地面运动的相关性，导出了轴向和横向振动响应的相关函数和功 率谱密度函数的解析表达式。帅健等1 2 0 】( 2 0 0 3 ) 将结构参数看作随机变量，采用摄 动分析法研究了地震随机激励下的埋地管道响应。屈铁军1 2 l 捌( 2 0 0 3 ，2 0 0 4 ) 考虑 地震作用的空间随机分布特性，用级数法及谱分析方法研究了管道的地震随机响 应。d c b m o k c 一2 3 】( 2 0 0 3 ) 在忽略管内流体作用的前提下，利用a b a q u s 软件 分析了冲击荷载作用下埋地管线材料的失效问题。吴小刚等【2 4 j ( 2 0 0 3 ) 利用有限元 方法研究了管道埋深对管土耦合应力的影响。结果表明，随着管道埋深的增加， 管土相互约束作用更加明显，管土问所受应力变大。符圣聪等【2 5 】( 2 0 0 4 ) 用改进的 一次二阶矩法计算了管道地震时的可靠度指数，对正态和非正态分布情形分别进 行了讨论，建立了埋设管道的抗震安全裕量方程。黄强兵等 2 6 j ( 2 0 0 4 ) 利用相对变 形理论( 管土相对位移模型) 推导了管土位移传递系数，研究了埋地管道在地震波 作用下的抗震性能，分析了地震波入射角、管道半径及壁厚对管道轴向及横向应 力峰值的影响。该文推导的管土位移传递系数已被我国规范采用，但是该文把地 震激励简化为简谐平面波。这和实际情况有一定的距离。刘全林等【2 7 j ( 2 0 0 4 ) 指出 埋地管道与土接触面上不仅分布有正压力，而且有剪应力，其大小与管一土和管- 基床的相对刚度有关，接着建立了管土相互作用的组合模型( 用弹簧模拟法向力， 用摩擦片模拟剪切力) ，给出了管土相互作用组合模型中参数的确定方法。孙建 第一章绪论 刚等【2 s 】( 2 0 0 4 ) 建立了跨越管道有限元数值分析模型，对其振动特性进行了分析， 得到了管道的振型，频率和不同地震作用下管道的动响应。刘志军等【2 9 j ( 2 0 0 4 ) 充分考虑了管一土相互作用和支座非线性的影响，采用非线性增量有限元方法对 悬垂管道跨越结构在地震作用下的反应进行了分析。裴宗厂等( 2 0 0 5 ) 基于经验 统计方法提出了管线震害分析的综合概率预测模型，在考虑管道本身性质对地震 中管道失效贡献的同时，又考虑了地面运动强度和场地液化等因素的影响。刘敬 喜等1 3 l 】( 2 0 0 5 ) 将管道处理为圆柱壳，将土体模拟为弹簧，利用波传播方法研究了 埋地管道的振动特性。结果表明，埋地管道的固有频率存在截止模态。谭平等【3 2 】 ( 2 0 0 5 ) 研究了天然气管道系统的地震响应，分析了三维管系的模态以及三维地震 激励下的管系位移响应幅值及模态响应系数。 1 2 1 2 不均匀场地对管道地震反应的影响 l n k l s o n ( 1 9 7 9 ) ，n n i s h i o ( 1 9 8 5 。1 9 8 8 ) 研究了不均匀场地对管道动力反应 的影响，指出土的刚度改变致使接头位移加大，土介质变换在交界面处管应力最i 大。我国学者林蕙杰、胡聿贤( 1 9 9 0 ) ，梁建文、何玉敖( 1 9 9 3 ，1 9 9 4 ) 、孙绍平( 2 0 0 0 ) 4 等也对不均匀场地下管道的地震反应进行了研究，得出了相类似的结论p “。梁 建文口3 3 4 】( 1 9 9 5 ，1 9 9 8 ) 对穿越回填河谷及河床以及穿越三种土介质管线进行了动 力分析。分析结果表明，地震波的频率、波长及河谷宽度对管线的动力性状有巨 大影响；管道的最大应力发生在中间土介质中，而不在两个交界面上，管道的动 力反应取决于三种土介质的软硬程度、排列顺序及中间土介质宽度。薛景宏掣” ( 2 0 0 1 ) 考虑管道与土壤之间及管道与液体之间的相互作用，研究了土壤性质改变 对理地管线轴向地震响应的影响。结果表明，均匀变化场地对管道轴向地震响应 影响不大；当管线位于两种不同介质中时，界面附近区域的管道应力明显增加。 1 2 1 3 管道连接处的位移与应力 a c s i n g l l a l ( 1 9 8 3 ) 首先提出了接头效应，并分析了接头如何抵抗由周围土 体产生的轴力和弯矩。高田至郎等( 1 9 8 8 ) 总结阪神地震震害特点，由试验得到许 多新型接头参数。孙绍平等( 1 9 8 3 ，1 9 9 8 ) 对国内不同类型接头进行试验，指出柔 性接头对管道结构有很好的减震作用。侯忠良等( 1 9 9 0 ) 对灰口铸铁管的刚性接头 进行了拉伸、弯曲试验，得到了一些有益的数据，并被规范所采用。e m i u r a ( 1 9 9 9 ) 对日本现有接头进行了试验研究，找出了现行接头的不足，并提出了两种具有足 够柔性和大变形能力的接头【“l 。梁建文等f 3 6 】( 1 9 9 4 ) 建立了埋地管道的圆柱薄壳 有限元模型，利用反应位移法研究了地下管道三通地震应力，指出三通直埋对管 道抗震有利。郭海燕等【3 7 1 ( 1 9 9 8 ) 将储罐连接处的管道视为弹性梁，同时考虑管道 一5 一 西北工业大学硕士学位论文 基础的不均匀沉降、竖向地震荷载及管内液体流动引起的耦联振动，建立了数学 模型，对储罐连接处的管道进行了动力分析。韩扬、孙绍平【3 s 】( 1 9 9 9 ) 对地下管道 抗震分析中的地震波传播速度、管土变形传递系数及管道接头的允许变形进行了 讨论。根据近期试验，对不同类型管道和不同填料接头的变形均值、标准偏差提 出了建议。张进国等【3 9 】( 2 0 0 4 ) 考虑储罐与地基、管道与地基以及管道与管内流体 之间的相互作用，计算了垂直地震激励下，不同场地上储罐与管道连接波纹管的 位移响应。计算结果表明，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，管内因具有一定压力和流速的 液体作用，管道会发生复杂的横向振动，也可能加速管道的破坏。 1 2 1 4 管线地震响应分析中的相关参数 在研究地下管道地震反应时，地震烈度、管道埋深、场地条件、管材、口径 和管道构造特点、管土间滑移距离，轴向阻力弹簧常数、地面表层地震波波速、 地震波入射角等都是很重要的参数。m d c a i l ( 1 9 7 8 ) 在试验室对管子进行试 验，结论为管子埋的越深，管土间滑移应力越大，轴向阻力弹簧常数也越大。f j a i a l v a n d ( 1 9 8 2 ) 用钢管在木箱内砂层中进行动力试验，结论为土的阻力与埋深成 正比；埋深越大，滞后曲线中的能量消耗也越大；埋深相同时，不同频率的阻力 相差很小；频率较大时，能量消耗降低。孙绍平等( 1 9 9 3 ) 用足尺寸的钢管、铸铁 管，混凝土管在钢箱内土层中进行轴向摩阻力试验，得到r ，k 。的值并 被规范所采用。d g h o n e g g c r 1 9 9 9 ) 在工地现场进行试验，得到土壤位移与摩阻 力的关系和土壤剪切力与管枯着力的关系，并给出计算公式【”。关于地面表层 地震波波速的选取，国内外许多文献都是直接取地面表层的剪切波波速n 。由于 管道一般埋于中硬土、中软土和弱软土中，由建筑抗震设计规范1 4 0 j 可知，其值一 般在l o o 5 0 0 m s 。但实际计算结果表明，由此算得的地面应变往往偏大，地震 波长往往比实际记录值偏小【4 1 1 。日本石油管线抗震设计中，考虑下部基岩波速的 影响，取视波速p = 2 c l 岛( q + 岛) 为地面表层地震波波速，式中q 为表层土剪切 波波速，岛为基岩的地震波波速。y a nh a n 等【4 i 肛】认为，一般地壳中层状结构是 愈向下愈硬，由波的折射原理，地震波由下向上传播时，经过不同土层界面的折 射，当达到地球表层时，就接近于垂直入射了。于是建议取与地平面成倾角矿的 地震波在地面上的投影作为f 值，即c = e c 甜矿。规范【帅】指出，横波在土层中 的传播速度与介质的密度和剪切模量有关。文献 4 3 指出，埋地管道的地震反应 及其破坏特点取决于管道与地震波传播方向的相对位置。在管线走向与地震作用 方向一致的情况下，管道动应力最大，损坏最严重；如果埋地管道纵轴与地震作 用方向垂直，管道动应力最小，损坏不明显。邴民宪等水】( 2 0 0 1 ) 认为地下管道震 第一章绪论 害受地震烈度、场地类别、管道材料、接口构造、管径尺寸、建筑年代等多种因 素的影响，提出了根据环境因素和管道结构参数对地下管道震害进行二级模糊综 合评判的方法。李昕等【4 5 l ( 2 0 0 1 ) 将土体视为等效线性粘弹性弹簧，利用g o o d m 叭 单元模拟管土相对滑移，采用有限元方法分析了输入波频率及幅值、管道埋深、 土体种类及管- 土摩擦系数等对系统动力响应的影响。薛景宏等脚】( 2 0 0 5 ) 利用时 程分析法分析了埋地管道的轴向动力反应，并与规范进行了比较，发现最大轴向 应力大于规范的计算结果，认为基于现行规范的管道设计在某些情况下可能是不 安全的。 1 2 2 交通荷载下埋地管道受力性能分析 关于交通荷载作用下的埋地管道研究始于上世纪8 0 年代，当时国外一些学 者就浅埋小口径铸铁管的受力及变形开展了尝试。r gp o c o c k ( 1 9 8 0 ) 根据试验研 究了浅埋于软弱路面下，受静载和车行动载作用的管道弯曲变形扩展问题。d r c a r d e r ( 1 9 8 0 ) 建立了浅埋于高速公路软弱地面下的管道受力模型，分析了交通荷“ 载下的管道所受弯矩问题。m e t a y l o r ( 1 9 8 4 ) 研究了交通荷载下浅埋铸铁管的弯 曲应变及车速对其产生的影响，并提出了车轮荷载冲击系数的概念【4 7 l 。 随着社会经济的发展，对大口径管道的需求日益增多，关于大口径埋地管道 在交通荷载作用的受力性能研究越来越受到重视。r m t c h o f z c w s k i ( 2 0 0 2 ) 1 4 8 】对 超载和循环交通荷载作用下埋于粗砂中的小口径管道受力及疲劳问题进行了矾 究。研究结果表明，当管道上土压力超过管道的承受能力时，管道将发生下凹或 表面开裂等机械破坏；在循环交通荷载作用下，管道会发生疲劳破坏。t j m c g r a t h 【4 9 j ( 2 0 0 2 ) 对公路交通荷载下的大口径埋地h d p e 管进行了实地试验研 究。结果表明，交通荷载作用下的埋地h d p e 管受力性能没有发生明显的变化。 t k a w a b a t a 【5 0 ”】( 2 0 0 3 ，2 0 0 4 ) 利用d e m ( d i s t i n c te l e m e mm e t h o d ) 方法研究了交 通荷载作用下浅埋柔性管道的变形性能，并提出一种利用沙袋分散浅埋管道上交 通荷载的新技术。结果显示，基于s p 锄g l e r 假设的当前设计方法不能够准确评价 交通活载作用下浅埋管道的特性；沙袋很好地分散了作用在管道顶点处的压力。 a m u n a z 【5 2 j ( 2 0 0 3 ) 利用a n s y s 软件分析了交通荷载作用下三维埋地管道的动 力学性能。分析结果显示，管道埋深为1 5 倍管径时，交通荷载对管道应力影响 可以忽略，但对埋深为管径o 5 倍左右的管道，必须对管土之间的相互作用进行 分析才能获得相对准确的管内应力；由任何一个轮载引起的管道应力不会受另其 他轮载的影响。我国学者邓道明等【5 3 l ( 1 9 9 8 ) 介绍了四种常用的计算路面交通活载 引起的管顶垂直压力的方法，并讨论了交通荷载冲击系数的取值问题。张土乔等 西北工业大学硕士学位论文 【划( 2 0 0 1 ) 对垂直荷载作用下的管道纵向受力性能进行初探性分析，着重探讨了管 道在受荷后的挠曲线形式及管节间相对转角的变化规律。吴小刚等【5 5 】( 2 0 0 4 ) 建立 了交通荷载下管道的e u l 扑b e m o u l l i 弹性地基梁受力模型，并提出了位移响应的 解析算法。吴小刚【5 日( 2 0 0 5 ) 基于模糊理论对交通荷载作用下埋地管道的疲劳寿命 进行了计算。 1 2 3 地震动水压力 影响输液管线正常工作的水力作用主要包括脉动激励、水锤效应和地震动水 压力。在实际管线系统中。关于阀门开度变化，泵的脉动、开启和停机引起的水 锤效应已经被广泛地关注【”棚l ，但由地震作用引起的管内流体动态响应的研究还 处于初级阶段。 目前，关于地震动水压力的计算多是集中于库水对坝体i “坳】、海水对海岸结 构m 6 5 1 、内部液体对油罐或蓄水池【6 “引、以及流体对泄洪道闸门【6 9 ，7 q 等的动力作 用，而关于大管径管线内部阀门或隧道内部闸门所受地震动水压力的计算还比较 少。地震动水压力的计算方法多是基于韦氏假定f 删或其扩充公式6 1 1 的有限元【6 2 】、 边界元【6 3 脚】和有限差分方法惭】。虽然韦氏假定能够较好地适用于具有自由液面液 体地震动水压力的计算，但对大管径管线内部阀门或隧道内部闸门所受地震动水 压力的计算却并不适用l 叫。因为此类流体的可压缩性效应可能会导致地震动水压 力的放大1 7 ”，此时，地震动水压力不仅与地震烈度有关，还与地震激励的频率有 很大关系。另外，虽然水利水电工程钢闸门设计规划”1 给定了闸门地震动水压力 的计算方法，但却认为其值仅与地震烈度及静水压力有关。土石坝工程抗震设计 中，地震动水压力已经得到了广泛的重视，但大坝配套设施中的一些组件，如 坝下压力管道、隧道闸门及泄洪道阀门等，却很少进行地震动水压力设计，而强 烈地震作用下，上述位置可能产生较高的地震动水压力删。震害调查也表明，坝 下埋管、隧道及泄洪道等在地震时发生裂缝的较多，严重的甚至将管壁裂穿，沿 管壁漏水冲刷，危及坝的安全，甚至使土石坝毁坏。虽然其破坏机理目前尚无定 论，但与地震作用引起的动水压力应该不无关系。 1 2 4 管道流固耦合振动分析 流固耦合力学是一门比较新的力学边缘分支，是流体力学与固体力学二者相 互交叉而生成。它的研究对象是固体在流场作用下的各种行为以及固体变形或运 动对流场的影响。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用：固体在 第一章绪论 流体动载荷作用下产生变形或运动，而固体的变形或运动又反过来影响到流场， 从而改变流体载荷的分布和大小。总体上，流固耦合问题按耦合机理可分为两大 类：一类的特征是流固耦合作用仅仅发生在流一固两相交界面上，在方程上耦合 是由两相耦合面的平衡及协调关系引入的；另一类的特征是流固两相部分或全 部重叠在一起，耦合效用通过描述问题的微分方程来实现。本文研究属于第二类。 近年来，国内外有关管道流固耦合方面的文献日渐增多，说明这个问题的研 究愈来愈受重视。据不完全统计，上世纪7 0 年代以来已有二百余篇论文涉及这 一领域，其中具有代表性的是m p p a i d o u s s i s 和s s c h e n 等学者的工作。输液 管的振动问题之所以能引起诸学者的兴趣，除了因为该问题在核工业、石油化工 业、生物工程、生命线工程等许多领域具有广泛的工业背景和现实意义之外，还 因为输液管道虽然是最简单的流圃耦合系统，但它却涉及了流固耦合的大多数问 题，并且它的物理模型简单，系统容易实现，因而便于理论与实验的相互协同。 目前很多学者对两端支撑直管；悬臂管；不稳定流直管；圆柱壳管； 曲管做了大量的研究，得出了很多有益