（土木工程专业论文）埋地管线系统抗震性能评估方法研究.pdf

独创性声明 | l u li iiiiii i i ii iii iiil ly 17 8 8 5 5 7 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：傻历体日期：如矽矽 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 啦 导师签名： 日期：勿a ； 摘要 摘要 城市的供水、供气、热力、排污等地下管网系统是现代城市生存和发展的生 命线工程。在地震作用下，地下管线的破坏不仅直接影响系统的功能，而且会造 成严重的次生灾害。我国很多城市有着可能遭受中、强地震影响的背景，但现有 的地下管网系统大多数没有经过正规的抗震设计。对此，本文结合我国城市地下 管网系统的实际情况，在综合分析了现有国内外相关研究的基础上，进行了管网 系统单元层次和系统层次两方面的抗震能力分析，建立了以不同设防烈度、不同 场地类型、不同管道类型和不同地震作用形式为分类标准的管道震害预测矩阵， 提出了求解大型网络可靠性的直接不交化算法。主要研究成果总结如下： l 、分析了埋地管道地震灾害作用的因素，总结了埋地管道的震害特点、失 效模式，归纳了对埋地管道产生影响的5 种地震作用；比较了中、日、美三国有 关管道的抗震设计规范，分析了设防原则和设计方法；确定了以简化模型和解析 计算为主，以数值计算进行调整修正的计算方法。 2 、结合城市给水、燃气和输油气等行业规范和工程应用的实际，确定了分 段式管道接头位移和连续式管道应变的抗震能力评估准则及其与破坏等级的关 系；利用正交试验分析了影响埋地管道地震作用反应的因素，确定了各因素的影 响重要性；建立了不同影响条件下的管道震害预测矩阵。 3 、比较了常用网络可靠性算法的适用性和特点，总结并推导了1 0 种网络缩 减模型。基于实时生成不交最小路集和不交最小割集两端逼近求解网络可靠性的 思路，根据宽度优先和最短路优先的拓扑原则，提出了大型网络可靠性求解的直 接不交化算法。算法可直接生成不交最小路集和不交最小割集，并实时逼近网络 可靠性的真实解，可以在有限时间内求出小型网络可靠性的精确解或大型复杂网 络可靠性的近似解。与不交和算法相比，此算法不必事先穷举最小路集或最小割 集；与d o t s o n 算法相比，此算法的每一步拓展过程无需存储网络结构、无需穷 举最小路集。 关键词管道抗震：震害预测矩阵；网络可靠性；网络缩减；算法 北京丁业大学t 学硕l 论文 a b s t r a c 下 曼皇皇! 曼皇曼曼曼! 曼鼍曼曼曼皇曼皇曼鼍曼曼曼皇曼皇曼皇曼曼舅i i i ! 曼皇皇曼曼! 曼曼曼曼曼鼍曼鼍曼曼皇! 曼曼! ! 曼! 曼曼皇量寰舅舅曼曼曼蔓曼曼曼 a b s t r a c t l i f e l i n e si n c l u d ew a t e r , g a s ，h e a tt r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，e l e c t r i c a l p o w e rs y s t e m s ，s e w e rs y s t e m sa n ds oo n t h e ya r ee s s e n t i a lf o rs u s t a i n i n gt h en o r m a lo p e r a t i o no f ac o m m u n i t y t h ee a r t h q u a k e - i n d u c e dd e s t r o yw o u l dd i r e c t l yi n f l u e n c et h es y s t e m sf u n c t i o na n d i n c u rs e v e r es e c o n d a r yd i s a s t e r m a n yc i t i e si no u rc o u n t r ym a yh a v et h es e i s m i cr i s kb a c k g r o u n d h o w e v e rm o s to ft h eb u r i e dp i p e l i n es y s t e m sw e r en o td e s i g n e dt oa g a i n s ts e i s m i ch a z a r d s o ，i ti s n e c e s s a r yt os t u d yt h es e i s m i cb e h a v i o ro fb u r i e dp i p ea n ds e i s m i cr e l i a b i l i t yo fb u r i e dp i p e l i n e n e t w o r kf o rt h en e e d so fe a r t h q u a k eh a z a r dm i t i g a t i o n t h i sp a p e rp r o p o s e ss o m ee a r t h q u a k e d a m a g em a t r i x e sf o rb u r i e dp i p e s ，a n dad i r e c t l yd i s j o i n tm i n i m a lp a t ha l g o r i t h mf o rr e l i a b i l i t y e v a l u a t i o no fb u r i e dp i p e l i n en e t w o r k s t h ec o n t e n to ft h i sp a p e rc a l lb ee x p r e s s e da sf o l l o w s ： 1 t h ef i r s tt w oc h a p t e r ss u m m a r i z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fb u r i e dp i p e l i n ed a m a g e sa n d f a i l u r em o d e s ，c o n c l u d e sf i v ek i n d so fs e i s m i ci n f e c t i o nt h a tm a yh a v ei m p a c t so nb u r i e dp i p e l i n e s e s t a b l i s h e sam e t h o df o rb u r i e dp i p es e i s m i cd e s i g nb a s e do ns i m p l i f i e dm o d e la n dt h ea n a l y t i c a l c a l c u l a t i o n , w i t ht h eh e l po fc o r r e c t i o np r o d u c e db yn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n b yc o m p a r i s o na n d a n a l y s i so fs e i s m i cd e s i g nc o d ef r o mc h i n a , j a p a na n da m e r i c a , t h i sp a p e rd e t e r m i n e st h es e i s m i c d e s i g nm e t h o d sa n dp r e v e n t i o np r i n c i p l eo fb u r i e dp i p e l i n e 2 b yc o l l e c t i n gd a t af r o mw a t e rs u p p l y ，g a s ，a n dt r a n s p o r to i la n dg a si n d u s t r ys t a n d a r d sa n d e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n sp r a c t i c e ，t h i sp a p e rd e t e r m i n e st h es e i s m i cb e h a v i o ra s s e s s m e n tp r i n c i p l e f o rb u r i e dp i p eb a s e do ns e g m e n tp i p ej o i n t sd i s p l a c e m e n ta n dc o n t i n u o u sp i p es t r m n ，a n di t s r e l a t i o n s h i p w i t ht h ed a m a g eg r a d e f a c t o r s ，i n f l u e n c i n gb u r i e dp i p e ss e i s m i cb e h a v i o r , a r e i d e n t i f i e d ，a n dt h ei m p o r t a n c eo fe a c hf a c t o ri si d e n t i f i e db yo n h o g o n a le x p e r i m e n t t h eb u r i e d p i p ee a r t h q u a k ed a m a g em a t r i xi s b u i l tb yd i f f e r e n ti n t e n s i t y ，s i t ec l a s s i f i c a t i o n , p i p em a t e r i a l t y p e sa n dd i f f e r e n tf o r m so fe a r t h q u a k ed a m a g e 3 t h ea p p l i c a b i l i t ya n df e a t u r e so fu s u a l l yu s e da l g o r i t h m si nc a l c u l a t i n gn e t w o r kr e l i a b i l i t y a r ec o m p a r e da n di d e n t i f i e d t e nm o d e l sf o rn e t w o r kc o m p l e x i t yr e d u c t i o n 锄c o n c l u d e d t h e d i r e c t l yd i s j o i n tm i n i m a lp a t ha l g o r i t h mi sp r o p o s e df o rr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o no fc o m p l e x n e t w o r k s o nt h ep r i n c i p l eo fb r e a d t h f i r s ta n dm i n i m a l - d i s t a n c e f i r s t ，t h i sa l g o r i t h mc a ng e td i s j o i n t m i n i m a lp a t hs e ta n dd i s j o i n tm i n i m a lc u ts e td i r e c t l y ，a n dc a ng e te x a c ts o l u t i o no fs i m p l e n e t w o r k sa n da p p r o x i m a t es o l u t i o no fc o m p l e xn e t w o r k sw i t hr e a l t i m e l ya c c u m u l a t i o no fd i s j o i n t m i n i m a lp a t hs e ta n dd i s j o i n tm i n i m a lc u ts e t c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a ld i s j o i n ta l g o r i t h m ，t h i s 1 i i 北京t 业大学工学硕i j 论文 a l g o r i t h md i s p e n s e sw i t ht h ee n u m e r a t i o no fm i n i m a lp a t hs e to rm i n i m a lc u ts e t c o m p a r i n gw i t h d o , o na l g o r i t h m ，t h i sa l g o r i t h md i s p e n s e sw i t ht h es t o r a g eo fn e t w o r ks t r u c t u r ea n dt h e e n u m e r a t i o no fm i n i m a lp a t hs e ti ne a c hs t e p k e yw o r d s ：s e i s m i cd e s i g nf o rb u r i e dp i p e l i n e ；e a r t h q u a k ed a m a g em a t r i x ；n e t w o r k r e l i a b il i t y ；n e t w o r kr e d u c t i o n ；a l g o r i t h m 目录 目录 摘要。 旭s t 趴c t 目录 i i i 第1 章绪论 v l 1 1 研究背景1 1 2 埋地管道抗震研究现状2 1 3 管 c ) 9 抗震连通可靠性算法研究现状3 1 4 本文研究内容4 第2 章埋地管道地震反应下的作用分析 5 2 1 埋地管道的震害。5 2 1 1 地震对埋地管道的作用5 2 1 2 埋地管道震害形式及特征6 2 2 地震波作用下埋地管道的反应。7 2 2 1 弹性地基梁模型8 2 2 2 波动方程法1 1 2 3 断层作用下埋地管道的反应1 2 2 3 1 断层作用下埋地管道的破坏形式1 2 2 3 2 断层埋地管道作用的研究1 3 2 3 3 断层对埋地管道作用的计算方法l5 2 3 4 断层对埋地管道作用的影响因素1 9 2 4 液化场地下埋地管道的反应2 l 2 4 1 液化对管道产生的上浮反应2 l 2 4 2 液化产生的地面大位移计算方法2 3 2 4 3 地面大位移对管道的作用计算2 5 2 5 场地震陷的影响2 7 2 5 1 震陷对埋地管道作用的计算2 7 2 5 2 震陷对埋地管道作用的影响因素分析2 8 2 6 管道穿越不均匀场地的反应2 9 2 7 与地震作用组合计算的运行荷载3 0 2 8 中、日、美管道抗震设计规范对比3 2 2 9 本章小结4 1 v 北京工业大学t 学硕十论文 第3 章管道震害预测及震害预测矩阵的建立 3 1 管道震害预测采用的计算方法4 2 3 2 计算参数的收集与确定。4 3 3 2 1 设计地震动参数。4 3 3 2 2 管道参数4 4 3 3 管道抗震验算与震害等级划分4 8 3 3 1 验算准则的选取4 8 3 3 2 破坏等级的划分4 9 3 3 3 管道破坏状态5 0 3 4 影响因素分析5 2 3 4 1 地震波作用分段式管道反应的影响因素分析5 3 3 4 2 地震波作用连续式管道反应的影响因素分析5 5 3 4 3 断层作用管道反应的影响因素分析5 6 3 5 震害顶测矩阵的建立- 5 9 3 5 1 分段式管道震害预测矩阵5 9 3 5 2 连续式管道震害预测矩阵6 0 3 5 3 断层作用下管道震害预测矩阵6 l 3 6 本章小结7 8 第4 章网络可靠性算法研究 4 1 管网抗震可靠性问题。7 9 4 2 网络可靠性问题8 0 4 3 网络可靠性求解算法8 2 4 3 1m o n t ec a rio 随机模拟8 3 4 3 2 经典不交化算法_ 二8 3 4 3 3 因子分解算法8 4 4 3 4d o t s o n 算法8 5 4 3 5a h m a d 害# 法8 5 4 3 6b d d 算法8 6 4 4 网络可靠性计算中的缩减模型8 7 4 3 110 种简化缩减模型8 7 4 3 2 缩减模型图示及公式推导8 9 4 3 3 缩减模型应用实例。9 3 4 5 本章小结9 6 第5 章大型网络可靠性计算的直接不交化算法 v i 目录 5 1 算法基本原理9 7 5 1 1 网络基本定义9 7 5 1 2 宜接不交化方法9 8 5 1 3 最短距排序9 9 5 i a 直接不交化的交互算法1 0 0 5 2d d m p 算法1 0 0 5 - 2 1 算法描述1 0 0 5 2 2 大型网络可靠度的求取1 0 2 5 2 3d d m p 与d o t s o n 算法对比10 4 5 2 4d d m p 用于求解典型网络的可靠性1 0 5 5 3 大型网络算例验证与分析1 0 9 5 4 算法分析l l4 5 5 本章小结一l l5 结论 1 1 6 参考文献。1 1 7 攻读硕士学位期间所发表的学术论文 致谢 v - 1 2 3 1 2 4 北京t 业火学丁学硕卜论文 v i l l 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着城市现代化建设的发展，城市遭受地震灾害的风险和损失也日益加大。 城市的供水、供气、热力、排污等地下管网系统是现代城市生存和运行的命脉， 人们形象的称之为生命线工程。城市的规模越大，现代化建设的程度越高，对生 命线系统的依赖性越强：同时，在自然灾害，特别是在强烈地震袭击下，生命线 系统的地震破坏和由此产生的次生灾害，以及对城市生命财产的危害也越严重。 最早的城市地下管网震害可追溯到上世纪初i l l ，1 9 0 6 年美国旧金山地区8 3 级地震，三条主要输水管道遭受破坏，城市配水管网上千处破裂，消防水源断绝， 全市起火5 0 余处无法抢救，使1 4 平方公里市区被烧毁，致使火灾造成的损失比 地震直接造成的损失高达三倍。1 9 2 3 年日本关东7 9 级地震，横滨的5 条大口径 给水管折断，涌出的水冲毁了桥台和民房，形成水灾；东京市由于供水管道被震 坏，供水中断，大火将4 5 万栋房屋烧毁，地震中1 3 万人丧生，其中1 0 万人葬 身火海。1 9 3 3 年美国长滩7 5 级地震，由于煤气设施破坏，引发1 9 起火灾。1 9 6 4 年日本新泻地震，承插式铸铁管1 0 0 - 2 0 0 接口全部被拔出或松动漏水，4 7 0 多 千米输水管线破坏率高达6 8 ，使城市供水全部中断：输送天然气管道全长 2 7 k m ，约7 5 受到破坏。1 9 6 6 年我国邢台7 2 级地震，周边城市的一些管道在 联结处断开，供水设备和蓄水池被震坏。1 9 7 5 年海城7 3 级地震，营口市1 5 0 多 公里管道发生接头损坏、松动、管体折断等3 7 2 处，造成管道大量漏水，严重影 响生活用水、生产用水和消防用水；营口市震后火灾高达一天3 6 次，经过一个 多月的抢修，才基本恢复正常。1 9 7 6 年唐山7 8 级地震，唐山市2 2 0 公里给水管 道全部瘫痪，给人民生活带来极度的困难，最初只能靠河沟和汽车运水，几天后 由其它城市支援用消防水龙临时供水，经过一个多月的抢修，才基本恢复正常； 唐山市郊工厂、邻近的天津、塘沽、汉沽等地的给水管网也都受到严重的震害， 天津塘沽区供水干管损坏3 3 2 处，抢修半个月，仅恢复震前5 0 的供水能力。1 9 8 5 年墨西哥7 8 级地震，墨西哥市由于煤气干管断裂引起煤气爆炸，市政煤气管网 断裂在市区引起火灾，由于供水管网同时损坏，使救火受到影响。1 9 8 9 年美国 加州7 1 级地震，在旧金山奥克兰的液化区，给水管网1 2 0 0 处破坏和渗漏，对 城市供水造成严重影响。1 9 9 4 年美国北岭6 7 级地震，输油气管线的破裂4 0 0 多 处火灾，圣费尔南多峡谷北部三条主要输水管道破坏，导致几个星期的停水，主 干管道7 4 处破坏，支管网破坏严重，约1 2 0 0 处渗漏。1 9 9 5 年日本阪神7 2 级地 震，神户地区供水系统严重破坏，共4 0 0 0 多处水管受损，供水中断，临时依靠 北京工业大学t 学硕。f j 学位论文 汽车运水，消防水断绝，4 5 9 处起火，无法扑救，燃烧面积达1 0 3 万m 2 。约7 3 的居民震后三天无饮用水，经过两个月的抢修，才恢复正常。1 9 9 6 年丽江7 级 地震，造成丽江多处供水管道破坏，供水中断。同年包头6 4 级地震，包头供水、 热力和煤气管网的管线都发生了接口断裂和管体破裂。1 9 9 9 年台湾集集7 4 级地 震，供水系统的储水池和地下管线均遭受破坏。2 0 0 2 年台湾强烈地震造成台北 县四处送水管管线被震断破裂，由于抢修施工，影响到2 5 万户的用水。 从这些惨痛的地震灾害教训中，人们逐步认识到城市地下管网系统对震后抢 险救灾的指挥调度、救灾人员和物资的运输和调配、人民生命财产安全和维持城 市的正常生活都是至关重要的。特别是从政府的管理职能和减轻城市地震损失的 角度来看，地下管网系统无疑比一般建筑物处于更加重要的地位。地下管网系统 一旦遭受破坏，城j l ，就会处于瘫痪状态，社会经济活动和人民生活将受到极为严 重的影响。 1 2 埋地管道抗震研究现状 埋地管道的范围包括供水、供气、排水和输油等地下管道，属于生命线工程 的主要组成部分，埋地管道抗震研究属于生命线地震工程的研究范围。震害经验 表明川，地震不仅会使埋地管道自身结构损坏，还会造成因埋地管道破坏和丧失 功能而发生的严重次生灾害。1 9 7 1 年圣费尔南多地震以后，“生命线地震工程” 己成为地震工程学一个新的研究分支。美国和日本最早开展了这一领域的研究， 先后成立了与生命线地震工程相关的学术组织或技术协会，经常举行学术会议， 交流经验，并开展国际间的学术交流和合作。1 9 7 4 年美国土木工程学会( a s c e ) 成立了生命线地震工程技术委员会( t h et e c h n i c a lc o u n c i lo nl i f e l i n ee a r t h q u a k e e n g i n e e r i n g ) 。19 7 7 年美国机械工程学会( a s m e ) 压力容器与压力管道委员会成立 了生命线地震工程专门学组( t a s kf o r c eo nl i f e l i n ee a r t h q u a k ee n g i n e e r i n g ) 。在日 本，1 9 7 8 年宫城县地震后，生命线工程抗震成为热门话题。1 9 7 9 年日本水道协 会出版了给水工程设计指南，1 9 8 3 年出版了地下煤气管线抗震设计实用技 术等专著。我国自唐山地震后，也开展了这一领域的研究。早期主要集中在震 害调查，管道抗震设计和抗震措施方面，建设部1 9 7 8 年颁发了室外给水排水 和煤气热力工程抗震设计规范，1 9 8 2 年颁发了 室外给水排水工程设旋抗震鉴 定标准和室外煤气热力工程设施抗震鉴定标准等。1 9 9 4 年中国建筑学会 抗震防灾研究会成立了地下管线抗震专业委员会，标志着生命线地震工程已正式 作为我国地震工程学科的分支而存在发展。 从第8 届世界地震工程会议( w c e e ) 以来，各届会议均专门设置了生命线系 统的专题，发表了很多生命线地震工程方面的论文。上世纪8 0 年代中期，我国 生命线地震工程界开始与日本、美国开展双边和多边科研合作。自1 9 9 0 年在北 第1 章绪论 京召开首届中国一日本双边生命线地震工程会议以来，已先后在西安( 1 9 9 4 年) 、 昆n y ( 1 9 9 8 年) 、青岛( 2 0 0 2 年) 、海口( 2 0 0 7 年) 召开了第2 、3 、4 、5 届中日美 生命线地震工程会议，促进了三国在生命线地震工程领域的发展和交流。 随着研究的深入、震害经验的积累，国内外学者对埋地管道在地震作用下的 反应分析提出了许多新方法，建立了更接近于震害实例的分析模型。随着计算机 软、硬件技术的发展以及大型、通用结构分析程序的普及利用，地下管道元件的 抗震分析已向模型的精细化( 三维壳体、管土接触模型) 、分析结果的直观化发 展，而管网系统的分析也从小型网络向可以考虑更多节点和管段的大型复杂网络 发展，为地下管道抗震分析的科学化和实用化奠定了坚实的基础。但各类规范中 的有关计算公式则相对滞后。有关埋地管道的计算预测方法各式各样( 基于可靠 度、安全系数等) ，对于同一条管道同样的输入参数，不同的算法会产生不同的 结果，有的甚至相差成倍。因此综合考虑近年来各类研究成果及震害经验，依据 现有规范公式建立埋地管道地震作用响应的标准震害预测矩阵，既能满足实际工 程需求，具有较强的可操作性，又可对政策指导提供参考依据。 1 3 管网抗震连通可靠性算法研究现状 对于地下管网而言，系统抗震可靠性分析包括两个层测2 】：管道抗震分析和 管网系统的可靠性分析。管道抗震分析只是完成了单元层次的评价，以此为依托 可以进行系统抗震性能总体评价。网络的连通可靠性分析是国际上通常采用的系 统评价方法。网络法是把系统工程的科学方法引入生命线工程震害分析，将城市 地下管网视为一个系统，用图沦方法或模拟技术，从整体上对管网的功能进行可 靠性评价。 p a n o u s s i s ( 1 9 7 4 ) 是最早研究生命线网络分析的学者之一。他模拟生命线系 统为内部联通的单源单汇的网络，计算随机地震影响下，管网的连通可靠性。 m s h i n o z u k a ( 1 9 8 1 ) 较早把m o n t ec a r l o 模拟技术引入生命线管网的地震可靠性 分析，对每一次模拟的破坏状态，由s s p 网络考察网络的连通性，并进行了破 坏状态的流量分析。他还以洛杉矶供水管网为例验证了方法的可行性。其后， m o n t ec a r l o 方法被许多学者采用，分别用于分析供水网络、交通系统和输电网 络等生命线系统的可靠性分析。 上世纪8 0 年代中期国内也开始了此方面的研究【2 j ，韩阳( 1 9 8 7 ，1 9 9 0 ) 采 用m o n t ec a r l o 模拟技术，在管道震害预测的概率模型基础上，分析了一些大中 城市的供水管网和天然气管网。孙绍平，焦国梁( 1 9 9 3 ) 基于图论原理，在管网 连通可靠性分析中提出孤立连通域算法，当管网受到不同程度的破坏后，在水压 重新分布时增加漏水影响系数，分析了分节式管道和连续式管道的大型网络，然 后编制多源、多汇、多态管网多功能水压，流量可靠度程序。采用该程序对北京 北京丁业大学t 学硕十学位论文 市的供水管网进行了震害预测，得到了较好的结果。李杰，何军( 2 0 0 2 ) 以降低 空间复杂性为优先的原则，提出了网络可靠度计算的递推分解算法【3 j ，该方法提 供了一个直接获得网络系统不交最小路的递推分解格式，从而避开了求网络系统 完备最小路集的n p 难题，并应用到沈阳市天然气管网的抗震能力评估。 网络技术引入生命线地震工程的时间虽不长，却己取得了不少进展，并且推 动了网络可靠性理论的发展。事实上，大型网络的连通可靠度计算问题是典型的 n p h a r d 问题，这是由于网络系统的全部最小路或全部最小割的数目与网络规模 之间是一种非多项式关系，随着网络规模的增长，网络系统的最小路或最小割的 数目会急剧增长。这种最小路或最小割数目的非多项式增长，也导致了网络可靠 度计算时间以及空间分解的非多项式增长。 由于生命线系统一般为大规模复杂网络，用传统的理论方法求解其可靠性的 精确解，显得无能为力。因而，开发简单省时、且能保证一定精度的近似方法成 为生命线网络可靠性评估的重点研究方向。 1 4 本文研究内容 本文从解决实际问题的迫切需求出发，基于我国埋地管网的特点，进行了包 括地下管网抗震能力评估的单体计算和网络可靠性计算两方面内容的研究。在单 体计算方面，主要依据国内外相关规范的计算方法，并参考数值分析方法的改进 和结论成果，总结提出了考虑多因素影响的管道抗震能力评估方法，并以此建立 了埋地管道震害预测矩阵。在网络可靠性计算方面，系统阐述了己有算法的特点 及其适用性，提出了一种大型网络可靠性计算的直接不交化算法；为减少计算量、 提高算法效率，总结并推导了网络缩减模型。主要完成的工作如下： l 、将可能存在地震作用分为：地震行波效应、断层作用、液化上浮作用、 地面水平向侧移和震陷作用，综合比较了各种埋地管道抗震计算方法的适用性和 可行性，比较了中、日、美三国有关管道的抗震设计规范，确定了管道单体抗震 能力评估和震害预测矩阵建立的计算方法； 2 、确定了分段式管道接头位移和连续式管道管体应变的抗震能力评估准则 及其与破坏等级的关系，按工程常用管道规格和布设方式建立了管道震害预测矩 阵； 3 、总结推导了1 0 种网络缩减模型，基于实时生成不交最小路集和不交最小 割集两端逼近求解网络可靠性的思路，根据宽度优先和最短路优先的拓扑原则， 提出了复杂网络可靠性求解的直接不交化算法，并验证了可行性。 第2 章埋地管道地震反应下的作用分析 第2 章埋地管道地震反应下的作用分析 地下管道的地震破坏特征以及地震反应特性与地面上建筑物不同。建筑物的 地震破坏主要是由于地面运动加速度所产生的惯性力作用，以及场地震害造成的 建筑物地基失效，一般情况下，建筑物总是尽可能避开危险的场地或采取必要的 地基处理措施。而地下管道通常分布在整个城市范围，不可避免的涉及各种场地， 地下管道由于埋设在土层中，管道的自振周期远小于土层的振动周期，管道受到 周围土的阻尼影响很大，因此不必考虑振动惯性力的作用。地下管道的地震破坏 主要是由于地面裂缝、滑坡、震陷、土壤液化等场地震害造成管道地基失效，以 及地震波传播效应产生的土层波动变形作用。 地震对埋地管线产生破坏的原因可分为两类1 5 j ：一类是强地面运动；另一类 是地面的永久变形，如由断层运动，砂土液化，滑坡等引起的场地破坏。以往多 次地震经验表明，对埋地管线影响最大的是断层引起地表破裂，其次是地基液化， 最后才是地震波。对于埋地管线的抗震设计而言，地震动过程中的动应变或地面 的相对永久变形比地震动的峰值加速度更重要。 对于埋地管道地震反应下的分析模型有：将管道简化为弹性地基梁的静力分 析法和有限元数值模拟方法等。由于不同方法基于的假设和考虑的因素各不相 同，由此得到的计算结果也有诸多差异。考虑到国内外管道抗震设计相关规范中 的方法多为应用广泛且与震害和实际经验相符，本章在计算各类因素对埋地管道 抗震性能的影响时，主要以规范公式为主。 2 1 埋地管道的震害 2 1 1 地震对埋地管道的作用 地震对地下管道的作用主要有三种： ( 1 ) 构造性地运动，像地壳构造的上升与下陷，断层错动等。 如1 9 3 1 年m a n a g u a 地震，1 9 5 2 年k e r nc o u n t y 地震，1 9 7 1 年s a nf e m a d o 地震，1 9 7 6 年唐山地震，1 9 9 5 年阪神地震，大量的管道因跨越断层或断层附近 由于受压、受拉或屈曲发生破坏川。大量的震害调查认为，具有高强度和韧性的 钢管( 油、气管道) 一般能抗拒强烈地震的地面运动，却不能抵御断层作用和地 面破坏所产生的永久地面变形。 ( 2 ) 地震动引起的土壤液化，滑坡等场地失效。 如1 9 6 4 年新泻地震时，大面积土壤液化和液化流动，许多管道遭受破坏， 埋地钢管出现屈曲。1 9 7 1 年圣费尔南多地震，圣诺曼水库附近由于液化，生命 北京t 业大学工学硕i ：学位论文 线破坏严重，1 1 条穿过大位移区的主要干管和支线都遭破坏。1 9 7 6 年唐山地震 塘沽和汉沾地区由于土壤液化，其管道破坏比震中1 1 度区还要严重1 。 ( 3 ) 地震波的传播效应。 前两种作用对地下管道的破坏是灾难性的，管线的铺设应尽量避开可能发生 这样地震效应的场地，否贝0 ，应采取特殊的防震措施和进行专门的研究。国内外 多次地震的调查表明，地震波传播本身对位于均匀坚硬土层的地下管道的破坏影 响相对较小，但是影响所涉及的区域都是相当大。当场地土松软或不均匀时，尤 其在场地条件差异较大的交界处，破坏将加重。在考虑地震波传播效应对埋地管 道的作用时，又可分为均匀土介质及非均匀土介质两种情况，研究表明【6 q 均匀 土中管道的地震作用效应约为均匀土中的1 5 2 0 倍。 2 1 2 埋地管道震害形式及特征 直埋地下管线的主要破坏形式有三种： ( 1 ) 管线接口破坏：如承插式管线接口填料松动， 连续式钢管在焊缝连接处开裂，法兰螺栓松动等； ( 2 ) 管体破坏：它包括管体纵向或斜向拉伸破坏， 径管、锈蚀严重管体的折断、屈曲等； 插头脱出或承口破坏， 通过断层的管体或小口 ( 3 ) 连接破坏：在三通弯头、阀门以及管道与地下构筑物连接处的破坏。 在三种破坏形式中，管体破坏一般足由于地面断裂、滑坡等严重场地震害所 引起或由于管体本身缺陷和腐蚀严重的原因；一般情况下，接口的破坏是最为普 遍的，日本十胜冲地震中，接头拔出占铸铁管破坏的7 5 ；唐山地震中，供水铸 铁管接头破坏占7 9 。 8 5 年墨西哥地震钢质管道破坏9 5 年阪神地震铸铁管体破坏( 8 0 0 哪) 第2 章埋地管道地震反应下的作用分析 9 5 年阪神地震公路塌陷导致管道破坏 7 6 年店山地震铸铁管承插式接头破坏 8 5 年墨西哥地震水泥管道接头破坏9 5 年阪神地震钢管机械接头破坏 场地液化产生的管线上浮9 5 年阪神地震柔性接头表现良好 图2 - 1 埋地管道震害 f i g 2 1e a r t h q u a k ed a m a g eo fb u r i e dp i p e 2 2 地震波作用下埋地管道的反应 目前，对地下管道在地震波作用下产生的应力应变分析的方法大致有三种观 点【7 】第一种观点认为剪切波是产生埋地管道最大轴向应变的主要波。第二种观 点认为不可能预见哪一种地震波将起主要作用，应对各种形式的波进行单独分 析，然后再综合考虑。第三种观点同样认为不可能预见哪一种地震波将起主要作 用，但应对各种形式的波进行单独分析，两种波并不同时发生作用，应单独考虑 各自的影响。无论是哪种方法，都做出的如下假定： 北京t 业大学t 学硕l ：学位论文 ( 1 ) 土壤是线弹性的是均质的； ( 2 ) 除周围土壤之外，管道没有任何其他外部支撑； 在地震行波的作用下，场地上不同的点将产生相对位移，通过土传到埋设管 道，从而使管生轴向变形和弯曲变形。研究表吲引，由于管道自身的重量很小， 而管道周围土体对管道的约束作用力很大，管道自振频率很高，在地震波的作用 下埋设管道的动力放大作用很小，埋设管道应力主要由周围土体的相对位移引 起。因此，在计算理地管道在地震波作用下的反应时可以不考虑动力作用，而按 静力方法计算。 ff) f夕￥弋妒、景乏遗管磐f(f + 一f 、么v 、弋、心“1 1 ， e ) 一( j 一朦澎叭 一 d l 一 压 压 ：、 景啪 图2 2 弹性地基梁模型 图2 3 管道在行波作用下的轴向挛形分析 f i g 2 2e 1 a s t i cf o u n d a t i 。nb e 硼d e l f i g 2 2a 】【i a ls t r a i n 。f b u r i e dp i p e u n d e re a r t h q u a k ew a v e 砟+ 邑( 虬一“p ) t = 0 ( 2 1 ) 式中，u s 为地震波作用下沿管道轴向的土体位移；甜p 为管道的轴向位移；丘为 管土轴向弹簧系数；f 为管道横截面上的作用力。 由肚e a s p = e a d 蕊u p 醌等= 以等 协2 ， 粥2 币理地官迫地震殷j 型卜明w - 厂h 耵t 皇皇曼皇曼曼曼曼曼量曼曼鼍皇曼曼曼曼曼曼皇鼍量曼曼曼鼍曼! 曼! 曼曼苎曼曼曼鼍曼舅皇皇_ ii i i i i 舅曼鼍曼曼皇曼皇曼皇曼! 曼! 曼! 曼曼曼曼舅量曼鼍曼曼 式中，e 为管材的弹性模量；a 为管道的截面积。 一般认为横波振幅大、周期长、传播距离大、不易被土壤吸收，而且它传播 了大部分的地震能量，对结构的作用效应显著，是结构破坏的主要因素。在此假 设入射地震波为剪切波，波行方向与管轴线夹角为矽( 图2 - 3 ) ，则： 弘s i n o s i n ( 参一分 ( 2 3 ) 式中，甜，场地土位移幅值；上为剪切波在管轴向的视波长。 将式