（水工结构工程专业论文）埋地管线在沉陷情况下的响应分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 场地的不均匀沉陷是导致埋地管线破坏的重要原因之一，而埋地管线又是城市基础 建设的重要组成部分，因此分析沉陷作用下埋地管线的反应和破坏过程是必要的。本论 文通过对遭遇沉陷的埋地管线进行数值分析，研究管线的反应规律，希望为今后埋地管 线的抗震设计工作提供一些依据。 本文首先介绍了埋地管线在场地变形时的震害及震害的各种影响因素，总结回顾了 国内外已有的埋地管线在场地大变形作用下的相关理论和各类分析方法。在此基础上， 本文决定采用壳模型的有限元方法对埋地管线在场地沉陷作用下的响应情况进行分析， 考虑管土相互作用以及管线、土体材料非线性和变形的几何非线性等影响因素。 本文第四章首先将管道模型模拟为四节点薄壳单元结构，把管线周围士体介质等效 为竖直方向的非线性弹簧，采用线性位移加载来模拟土体的沉陷作用，利用通用有限元 软件a n s y s 分析管线的位错反应，得出管线受力及变形的基本规律。继而第五章考虑到 管土相互作用的复杂性，把周围填覆土体采用八节点六面体的实体单元划分，进一步建 立了管土空间接触的相互作用模型，即把管一土接触面模拟为三维刚性与柔性的面面 接触单元结构。通过具体的算例，定量计算分析了不同参数如沉陷长度、埋深、管径、 土特性等对管线反应的影响程度。寻找其敏感因子。根据计算结果得出管线的受力及变 形的规律，比如发现管线受力和变形是不对称的，管子受力最危险点在沉陷区与不沉陷 区交界面的5 m 范围内等，得出了一些有意义的结论。并且通过控制加载步长观察控制 截面控制点的位移和内力的变化，推断管线运动状态，模拟管线破坏过程。 本文最后提出了埋地管线反应分析中需要进一步研究的问题和发展方向。 关键词；埋地管线；沉陷；壳模型；管一土相互作用 埋地管线在沉陷情况下的响应分析 r e s p o n s ea n a l y s i sf o rb u r i e dp i p e l i n e ss u b j e c t e dt ot h es e t t l e m e n t a b s t r a c t t h ed i f f e r e n ts e t t l e m e n t ：i so n eo ft h ei m p o r t a n tf a 黼w h i c hm a k et h ep i p e l i n e d a m a g e d b u r i e dp i p e l i n ei sa l s oav e r yi m p o r t a n tg r o u po fb a s i cf a c i l i t i e s t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r yt oa n a l y z et h er e s p o n s eo fb u r i e dp i p e l i n e st ol a r g eg r o u n ds e t t l e m e n t a f t e rt h e n u m e r i c a la n a l y s i sf o rb u r i e dp i p e l i n e s , g i v et h ef o u n d a t i o nt oa 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 sw h e ns u c c e e dt ot h es e t t l e m e n t f i r s t l y , t h es t u d yo fd a m a g eo fb u r i e dp i p e l i n e sc r o s s i n gs e t t l e m e n ti si n t r o d u c e di nt h e f i r s tc h a p t e r n e x t , t h ep a p e rs y s t e m a t i c a l l yr e v i e w ss e v e r a ls i m p l i f i e dd e s i g nm e t h o & t h a t p r o p o s e dt oo b t a i nt h em a x i m u ms t r e s so rs t r a i ni np i p e l i n e s 删s i n gl a r g eg r o u n dd i s p l a c e - m e n t o nt h eb a s i so fm a n yp r e v i o u st h e o r i e s , t h ep a p e rp r o p o s e st h es h e nf e mt oa n a l y z e t h er e s p o m eo fs t e e lp i p e l i n e su n d e rt h es e t t l e m e n t , c o n s i d e r i n gt h ei n t e r a c t i o no fp i p e l i n e s a n ds o i l ，m a t e r i a ln o n l i n e a r i t yo fp i p e l i n e sa n ds o i l ，e n dt h eg e o m e t r i c a ln o n l i n e a r i t y t h ep i p e l i n ei sd i s c r e t i z e di n t o4n o d e st h i ns h c uc l e m e n ts t r u c t u r e a n ds o i li sm o d e l e d b yn o n l i n e a rs p r i n gi nt h ef o u r t hc h a p t e r t h es e t t l e m e n to fs o i li sa c h i e v e db yl o a d i n gt h e l i n e a rd i s p l a c e m e n t s ，u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st o o la n s y st oa n a l y z et h eb u r i e d p i p e l i n es u b j e c t e dt os e t t l e m e n tm o v e m e n t i nt h ef i f t hc h a p t e r , 8n o d e ss o l i de l e m e n t sa r e m e s h e di nt h es o i le n t i t yf o rb e t t e rs i m u l a t i n gt h es o i l b e t w e e nt h ep i p e l i n ea n ds o i l , t h e n o n l i n e a r n t a c tp a i ri sc r e a t e d s o m ef a c t o r sa n dp a r a m e t e r se f f e c t , s u c ha st h ed i s t a n c eo f s e t t i e m e n t , t h eb u r i e dd e p t h , t h ed i a m e t e ro fp i p ea n dt h em a t e r i a lo fs o f t ，e t oa r ea n a l y z e d t h r o u g ha ne x a m p l e s o m ec o n c l u s i o n sa r ed r a w n ，s u c hu s ，t h er e s p o n s eo ft h ep i p e l i n ei s u n s y m m e t r i c a l ，p i p e l i n ei se a s yd a m a g e da t t h ep o s i t i o na b o u t5m e t e r sa w a y 舶mt h e b o u n d a r ya n ds oo n a n di nt h ec h a p t e r5a l s oi l l u s t r a t e st h ew h o l ep r o c e s so fb u r i e dp i p e l i n e d a m a g e d b y m e a n s o f n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i nt h ee n d , t h ee s x l s t i a gp r o b l e m sw h i c hn e e dt ob es t u d i e da r ed i s c u s s e db r i e f l ya n d t h ep r o m i s i n gp o s s i b l ef u t u r er e s e a r c hd i c i i o n so nt h es u b j e c ta r es u g g e s t e d k e yw o r d s ：b u r i e dp i p e l i n e ：s e t t l e m e n t ：t h i ns h e l lm o d e l st h ei n t e r a c t i o no fp i p e l i n e a n ds o i l i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 濑日期：丝孽2 ：2 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：遮乖塞 导师签名：立坐塑基垒 j 4 年1 月上日 大连理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景、目的和意义 随着社会经济的发展，地下管道在输水、油、气( 汽) 、煤以及在通信、供电、交 通和排水等方面得到广泛的应用，成为现代工业生产和城镇生活的大动脉，因此人们通 常称它为地下生命线工程。生命线工程由几类工程系统构成，每个系统包含有不同的建 筑物、构筑物以及各种设施和设备等。它们相互联系，构成一个系统，因而有时称其为 生命线工程系统。 地震作用下的地下管线属于生命线地震工程的范畴，是近三十年才发展起来的，在 1 9 7 2 年以前是不考虑地震的，自美国1 9 7 1 年的圣尔南多地震起，管道的严重破坏迫使 人们考虑管道的抗震，促使了生命线地震工程的诞生。 埋地管线的地震影响研究是防震减灾领域中的重要课题，埋地管线通常用于大范 围、远距离输送石油、天然气等重要战略物资，其特点是管线跨越距离长，侧向抗力薄 弱，受到各种突发灾害的袭击时，容易受到破坏，不仅是埋地管道本身遭到破坏，而且 相关方面都会受到损失，因此埋地管道在地震中的震害如何，是工程抗震防灾的主要课 题之一。 使地下管道破坏的外部原因有两种1 1 】：一种是场地破坏；另1 i 中是地震波动效应。 场地破坏的形式有：断层错动、地质构造性上升或沉陷、砂土液化、滑坡、震陷或震裂 等。根据k e n n e d y 等人( 1 9 7 7 ) 得出的结论，对管线影响最大的是地表断裂，其次是地 基液化，最后是地震波。对于地下钢管，只有地震烈度达九度以上的地区才需要在设计 时考虑抗震措施。以往多次地震经验表明，地震对管道设施的破坏，主要是由于场地土 的变形引起的。这就是说埋地管线的破坏与否，往往并不是由惯性力大小决定的，而是 由于场地土的变形引起的。所以近年来，场地破坏( 断裂、液化、沉陷) 造成埋地管道 的严重破坏也被很多学者重视起来，进行研究。考虑地面大位移对地下管线的影响，问 题关键在于怎样考虑士与地下管线之间的相互作用。近年来土、结构相互作用问题受到 了人们的重视，成为结构工程中的重要研究课题。随着数值方法的发展，相互作用问题 的研究取得了相当大的进展。 地震不仅直接破坏地下管线的正常功能，而且随之而来的是严重的次生灾害。 如：1 9 0 6 年的美国旧金山地震中，由于三条主要输水管线遭到破坏，城市供水管网上千 处破裂，全城供水断绝，5 0 多处起火点因无水灭火，大火燃烧三天三夜，使十余万平方 公里的市区化为灰烬，造成的损失比地震直接经济损失高三倍。1 9 2 3 年的日本关东大地 埋地管线在沉陷情况下的响应分析 震中，供水管道严重破坏，火灾多处发生，燃烧三天两夜，横滨市几乎全部烧光，东京 市被烧毁2 3 ，有3 8 万人被烧死或窒息而死，占地震死亡人数的1 3 。我国的海城地震 和唐山地震中，埋设管线也发生了不同程度的破坏，造成严重的后果。 其中场地的不均匀沉陷是导致管线破坏重要原因之一2 】。震陷是一种重要的、不可 忽视的场地震害现象。1 9 2 3 年日本关东大地震，东京到富士的广大地区下沉了1 5 m 。 1 9 7 6 年唐山地震时，由于唐山采空区较多，强震易于使其产生塌陷，当时塘沽新港区淤 泥质软土平均震陷量也达1 5 0 5 m m 。地震作用下土地基发生震陷，塌陷是一种大的场地 地面垂直变形，对管道有极大的影响，对地下管线造成破坏。1 9 7 8 年的日本富城地震期 间地下水管道和煤气管道受到严重破坏。在新泻地震中2 4 0 0 多幢建筑物因为发生液化 不均匀沉陷而遭受巨大损失。破坏的主要原因不是士内的波传播，而是土的破坏，诸如 液化、沉陷和滑动。近年来场地破坏造成埋地管线的严重破坏已被很多学者重视，但是 场地的不均匀沉陷对埋地管线的影响，定量研究却数量有限，因而得到的结论多是定性 的结论，缺少量化指标。所以研究沉陷情况下管线的失效过程，尤其是实验和数值模拟， 对于保证管线的安全运行具有重要的作用。 1 2 震陷成因及定义 震陷是指在地震作用下土层和建筑物发生的附加沉降，是地震引起的土体竖向残余 变形，是典型的地基大变形震害在可液化地基及软土地基上均有发生【3 j 。震陷是一种 重要的场地震害现象。根据国内外震害资料，地震引起的地层沉陷，主要以下几种类型 【4 l ： ( 1 ) 构造性震陷：指地震过程中，在地震力的作用下，因构造变动形成的一种地层 沉陷。例如1 9 2 3 年日本关东大地震( m = 7 9 ) 后，东京到富士广大地区下沉了1 5 m 。 ( 2 ) 液化震陷：指饱和的砂或粉土在地震液化后形成的土层沉陷或建筑物的附加 沉陷。例如1 9 7 6 年唐山地震时丰南县黄各庄西南，液化震陷形成的陷坑深2 m ，面积为 1 5 0 3 0 0 m 2 。 ( 3 ) 软秸性土震陷：指在地震作用下软弱秸性土层强度降低或地震塑性区扩大，从 而形成的地面或建筑物附加下沉。例如1 9 7 6 年唐山地震，塘沽新港区淤泥质软土平均 震陷量1 5 0 5 m m 。 ( 4 ) 黄土震陷：指在地震作用下，黄土的孔隙结构产生崩溃性破坏，从而形成地面 或建筑物的附加下沉。例如，前苏联e b 波波娃研究，干燥黄土状土在8 度地震时可发 生l m 的沉陷。 ( 5 ) 一般松散土震陷：指干的松散砂土、回填土、杂填土等一般松散土在地震作用 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 下结构增密，体积压缩，使地面或建筑物产生附加下沉。例如e b 波波娃研究说明干燥 堆积土在7 度地震时，震陷可达0 1 m ，8 度地震时沉陷可达1 5 m ，9 度地震时沉陷可达 3 m 。其中，c 2 ) 、( 习、( 4 ) 、圆被统称为土层震陷。 在岩土工程中，地基震陷指的是在地震作用下，土层结构震坏，强度降低，体积压 缩，或地基塑性区扩大，使地基土层或建筑物产生附加下沉。因此，对沉陷作用下埋地 管线进行分析，分析管线反应行为和破坏过程，评价地下管线的抗震能力和安全性，以 便于为地下管线的抗震设计、鉴定、加固、改造、地震损失估计和地震应急等工作提供 理论基础和技术支持。 1 3 场地震陷造成的管线震害 1 3 1 震害特征 地震作为一种自然灾害，给人类社会造成巨大的破坏。对于地下钢管，只有地震烈 度达九度以上的地区才需要在设计时考虑抗震措施。历次大地震震害及研究表明，埋地 管线破坏十分严重。尤其埋于土中的管道将会随土体变形而变形，受到来自沿管道轴向 和横向土的反力作用。地表断裂影响不如波动面广，但它能在很小范围内产生较大的相 对位移，对于其相交的埋地管造成破坏或威胁。除了极震区，如果没有场地永久变形的 影响，管线是不会产生破坏的。 在一次强破坏性地震中，活断层可能会横向滑动8 m ，竖向滑动3 m ，此处地管道受 到剪、弯、拉压等作用，产生拉伸、压缩、屈曲破坏。因此，地震对管道设施的破坏， 主要是由于场地土的变形引起的，往往并不是决定于管子的惯性力，而是主要取决于管 线与土之间相对变形的大小，决定于管子变形或应变的大小。这就是说对于埋地管线的 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。这也是地下管线与地上结构物在抗震设计中应考虑的重要区别。 埋地管线在地震作用下破坏形式可分为两大类：一类是管线破坏失效，包括拉伸失 效，局部屈曲失效和梁式弯曲失效。第二类是管线连接部位破坏失效，其破坏形式随连 接方式的不同而不同，比如焊接口容易滑移承插接口容易脱离，丝扣接口则可能发生 断裂。本文以连续管线为研究对象，主要针对第一类破坏形式。 在地震中，由于地震产生的地表断裂运动，使管道产生纵向应变和横向变形。沉降 使管道产生裂缝和折断。周围土质如果不太硬，管子受拉超过极限，管子会被拉坏；土 质很硬，则会剪切破坏；压缩荷载下，管道容易屈曲破坏【习。屈曲是管线在地震中的破 坏形式之一，可以有两类屈曲【6 】。第一种是梁式屈曲，即管道实质按梁工作，在外加轴 向压缩荷载( 或位移) 下，管道从地面向外弯曲，梁式屈曲与欧拉柱屈曲相似，管线产生 埋地管线在沉陷情况下的响应分析 屈曲变形的长度较大，影响范围也大。粱式屈曲也因受压造成，但它与局部屈曲最大的 不同是虽然相当长的管线离开原来埋深的位置，甚至拱出地表，但管子没有破裂，输送 功能没有被破坏。当管线埋深较浅，回填土疏松时，梁式屈曲往往发生。研究表明，梁 式屈曲与管子的抗弯刚度、埋置深度和管线布置方案的某些缺陷有关。h a l l 和n 哪m r k 认为，管道能经受较大的压缩应变作用，这种屈曲甚至是理想的，因为如果设计适宜， 可以避免严重断裂。第二种是壳形屈曲，往往导致管道的断裂或破裂。管子屈曲可以归 类为薄壳的稳定问题。1 9 9 9 年s k y r i a k i d e s 和o t 1 u i 益过实验研究y 1 1 种不同口径和壁厚 的管子在纯弯曲荷载下的各种失稳模式对管子反应的影响。结果显示对于薄壁管，在管 子受压侧是很容易产生壳式屈曲变形，一旦届曲，管子很快破坏失效；对于厚壁管，则 更多发生的是椭圆化变形，管子会随荷载慢慢的破坏失效。一般以管子的径厚比2 6 为界， 当然对于埋地管线，因为周围有土的约柬，所以这个值会更大一些。但说明径厚比是影 响管子发生何种破坏方式的一个重要参数。 1 3 2 震害影响因素 影响埋地管线地震反应的因素很多。在进行建筑物抗震设计时，地震动方面不但应 考虑地震波的幅值和持时，对其波形特点也要予以关注【3 】。但除了地震动的强烈程度外， 当埋地管线遭受地面大位移时，与管线沉陷长度、沉陷深度、径厚比、埋置深度以及所 在的场地条件、管线材料、接口方式、初始应力、管内压等因素都有关。 根据震害经验，钢管抗震性能比其他管材好，焊接钢管易起皱，局部失稳，发生弯 曲变形；铸铁管容易发生小口径断裂；混凝土和钢筋混凝土管容易折断：石棉水泥管容 易沿管体断裂。另外接口方式对管道震害也有显著的影响，一般柔性接口比剐性接口抗 震性能好用。沉陷位移量越大，管道破坏越严重。管线埋置深度较浅，容易发生梁式屈 曲，变形长度长，却没有破裂产生；埋深大，则较易出现局部屈曲失效，直接影响管线 输送功能。管线径厚比则决定了管线的失稳形式，是管线灾害预测的一个重要指数。 1 4 发展现状和趋势 1 4 1 研究现状 1 9 7 2 年以前，埋地管道的设计是不考虑抗震要求的。由于1 9 7 1 年圣费尔南多( s a n f c m a u d o ) 地震给加利福尼亚州沿圣安德烈斯断层s y l m a r 段一带的地下输气管道造成了 严重破坏，人们才不得不考虑埋地管道的抗震问题。 对地下管线的最早研究是1 9 6 7 年由n e w m a r k 开始的，假定管线与土一起运动忽略 惯性力的影响，由此开创了地下管线的抗震研究。近年来，场地的破坏造成埋地管道的 一4 - - 大连理工大学硕士学位论文 严重破坏已被很多学者重视，并开始研究，尤其跨越断层的埋地管线研究逐渐成为研究 的热点课题，研究成果颇为显著。 最早在1 9 7 5 年n m n e w m a r k 和w j h a l l 首次提出跨断层埋地管线地震反应方法， 这是一种近似分析计算法，认为直接作用在管线上的土壤滑动摩擦力与土压力相对静止 ( 静态压力) ，且不考虑土壤的自身阻力。它使用小变形理论来计算管线的伸长量，在计 算中假定管线由纵向变形来吸收断层位移作用，忽略土的横向作用力和管线的弯曲变 形。1 9 7 7 年k e n n e d y 等人通过考虑均匀的动态土壤压力和大挠度理论，发展了n e w n m r k 和h a l l 的方法，该方法将管线看成是只有拉伸刚度而无弯曲剐度的悬索，在弯曲变形 与轴向变形比较小时可以得到满意的结果，但在弯曲变形较大时则可能造成较大误差。 n e w m a r k 和k e n n e d y 二者的计算模型都忽略了管线的弯曲刚度，因而不能满足管线穿 越引起管线压缩应力的逆冲断层的平衡条件。 7 0 年代，日本学者提出了管土相互作用的分析模型，将管线简化为弹性地基梁，地 震波简化为简谐波，即反应位移法。1 9 8 5 年l e o nr u l i a n gw 蹰g 等人修改了上述两种方 法的一些假设，提出采用局部大挠度粱模型来分析穿过走滑断层的地下管线的性能，考 虑了管线的弯曲刚度，但结果并不十分精确。 这些方法都属于解析方法，都把管道视为粱或者索模型，优点是计算方便概念简单， 可以手算，便于工程实际运用。并且已涉及管材为非弹性的性质。但计算结果不够准确。 1 9 9 1 年甘文水、侯忠良等人提出了一种基于有限元基本原理的穿越断层区管线抗震 分析方法，该方法将管线抽象成置于土弹簧之上的连续梁，并考虑了横向土弹簧和管线 木身的非线性特征，根据虚功原理建立了管线的平衡方程，并用迭代法求解管线在断层 位移作用下的反应。继而有限元分析方法被越来越多的学者采用，管线从简化成二维梁 模型发展到板壳模型；管土作用也由不考虑到考虑、由简化为土弹簧发展到模拟管土 接触面。1 9 9 8 年s h i r ot a k a d a 和j i a n w e nl i a n g 等【8 l 采用薄壳单元对跨越断层管线进 行了有限元分析，考虑了几种参数对地下管线抗震性能的影响。1 9 9 9 冯启民、郭恩栋 9 1 采用二维有限元模型模拟分析了跨断层的管道在已知错动位移下的反应：并且他们首次 对钢管做静力及动力振动台模拟试验，采用梁模型分析计算了跨越断层管线的变形和强 度【1 0 1 。 2 0 0 1 年赵林【1 1 】等把管线视为薄壳结构，将管线模型化为四结点薄壳单元，土介质 简化为弹塑性弹簧，建立了管土相互作用的模型。采用数值模拟的有限元技术，考虑了 埋地管线与土介质的相互作用。对断层大位移错动下地下管线的反应进行了分析。得出： 埋深、断层类型对管线具有明显的影响，而断层破碎带对管线则无明显影响。它的优点 是形象地再现了管线的实际反应过程，但也存在不足之处：分析时只考虑了3 0 倍管径长 埋地管线在沉陷情况下的响应分析 度的管线作为研究对象，事实上受断层影响的管线长度远大于3 0 倍管径。郭思栋、冯 启民利用有限元法采取梁土弹簧模型考虑土弹簧单元和管线单元的非线性特征。建 立了断裂位移作用下管线和土弹簧的动力平衡方程。求解出连续渐变位移作用下管线及 土体的反应状态。刘爱文嘲等也对集集地震中埋鲍管线的震害采用等效边界条件，用薄 壳有限元方法研究大的断层运动对埋地管线的作用。m a xa n h e n d r i k s 等人1 1 2 】把管线的 弹性地基梁模型和三维壳模型相比对，认为前者简单、适合工程实践，而后者却能够分 析得更加详尽，接近管予实际工作状态。 我国自1 9 7 6 年海城、唐山地震以来，开始重视地下管线的震骇特征以及抗震性能 研究，相继制定了抗震设计规范并不断补充新的研究成果、修订原有规范。 那么，查阅文献对于在场地的不均匀沉陷情况下，对埋地管线的影响研究的分析方 法有很多种吲1 1 4 】：试验方法、传统的几何位移方法和数值理论分析方法。尤其是近年 来，随着计算机技术的发展，有限元方法发展迅速。 ( 1 ) 试验方法 日本神户大学高田至郎在沉陷方面作了很多的试验和研究工作。他采用下沉土箱对 有胶圈接头的地下聚氯乙烯管道的力学性能进行了试验【捌，显示了管道在沉陷作用下的 变形状态。1 9 9 8 年，日本神户大学高田至郎又进行聚乙烯管的不均匀沉降实验，一条管 径为1 0 0 m m 的供水p e 管埋设在长8 m 宽2 m 的土箱中，管子埋深1 2 m ，两端固定。土 箱下为4 张2 m 长桌子，使其中两张桌子下沉来模拟地面不均匀沉降，县的是得到土沉 陷作用下聚乙烯管的力学强度基本数据。 试验结果表明：管子最大应力和最大应变都发生在相同点上；最大应变位于不连续 界面附近，应力值将随离开不连续界面的距离增大而剧降：管道受到弯曲变形；顶部和 底部的轴向应变、环向应变大于侧壁部位；管子最大应力与土沉降量之间有明显线性关 系，沉陷量越大，管子最大应力也越大。试验结果充分显示了管道在沉陷作用下得变形 状态。 圆解析方法 解析方法一般都把管道视为粱模型或者索模型，概念简单计算方便，可以手算，便 于工程实际运用，只是计算结果不够准确。 1 9 9 6 年高惠瑛采用弹性地基梁模型，从变形模拟入手，考虑几何大变形，把管道变 形模拟为三次曲线，建立管道受力分析平衡方程和内力计算递推公式，得出了受场地沉 陷作用的埋地管线的内力及变形；她提出了新的变形模型，适用于距离交界面有限长度 发生最大沉陷的情况。2 0 0 3 年张土乔、李浔、吴小刚对地基差异沉降时管道的纵向力学 形状进行分析【坷，得出沉降发生时，纵向上力学性能如转角和弯矩等的一些结论。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 s 1 i m u r a 1 7 l 采用简便易行解析方法依据文克尔地基粱理论由已知的场地沉陷值推导 出管线应力求解公式，并和弹性地基梁的有限元模型模拟结果相对照，再针对沉陷的各 类不同情况改进公式，分别对沉陷情况下埋地管线部分、裸露部分以及介于二者之间的 管线部分这三种状况进行了分析计算。 ( 3 ) 数值方法 概述管线的分析方法就是解析方法和数值方法。解析方法模拟成梁或索，概念简单， 计算方便，便于在工程实际中应用。但计算结果不够准确，很难给出管道上应力细节分 布。随着计算机技术的快速发展，近年来有限元等数值方法多被采用，利用有限元方法 分析可以给出详细的管道应力场，计算结果较为准确。用三维有限元计算模型分析管土 作用，便于观察分析管线的变形部位和变形大小，同时也可以了解管线对土体产生的影 响。 有限元法是力学、应用数学与现代计算技术相结合的产物。实际上，有限元法是一 种对相关问题利用控制方程进行近似求解的数值分析法，在数学上对其适用性、收敛性 等都有较严密的推理和证明。有限元是一种有效的数值分析方法，和其它数值分析方法 比较，有限元法有几个突出的优点：可以用于解决非线性问题i 易于处理非均质材料， 各向异性材料；能使用各种复杂的边界条件。埋地管线与的相互作用恰恰存在着这几 方面的问题，因此很适宜采用有限元法，有限元法的特点更易得到体现。 2 0 0 5 年饶鹏强f l s 】用a n s y s 对地面侧移作用下的埋地输水管道进行7 二维分析，得 出管线剪应力和轴向应力分布，并提出大量防御措施。h i r o s h iy a t a b e 等人1 1 9 】把管线模 拟成壳、土模拟为弹簧对不同程度弯管和变截面管道进行分析，提出建议。y u nm o o kl i r a 等人【2 0 】根据土弹簧模型对管线在遭受很多不同情况下的地面永久位移时。主要对管线最 大应交值作了分析比较：并研究了变形模式、管线长度、管径以及管厚这些参数变化的 影响。f r a n c e s c oc a l v e t t i ，c l a u d i od ip r i s c o ，a n dr o b e r t on o v a 2 1 】于2 0 0 4 年把数值模拟和试 验结合，来研究滑坡时管线的反应基理，这也是今后研究的方向 1 4 2 发展趋势 现在的抗震规范和有关研究中，还很少有估计管子内屈曲应变大小的方法，这在管 道抗震设计和工程上急需解决。实际上我们不可能对每一个大变形的管子做三维的壳模 型有限元分析，所以工程设计上需要一个简单易用又能够估计管子大变形的计算公式。 并且应该注意到，地面大位移对地下管线的影响与断层对地下管线的影响的分析有许多 近似之处，其地下管线的分析模型，破坏类型以及抗震措施都有可借鉴之处。最初人们 对生命线地震工程的研究主要是从单体的角度进行的，现在发展到以系统观点来研究。 埋地管线在沉陷情况下的响应分析 最初人们对生命线地震工程的研究主要是从单体的角度进行的，现在发展到以系统观点 来研究。生命线工程系统未来的发展方向应是多学科的相互靠近和融合圈。地下管线是 一种特殊的地下结构，周围受土介质约束，其特性在很大程度上受土的限制，因此研究 地面大位移对地下管线的反应分析是一个复杂的非线性问题 另外，从国际上建筑物的抗震设计发展方向来看，人们不再满足于弹性设计，推出 了塑性设计，继而提出极限状态设计( 性能设计) 的观点。埋地管线抗震设计也是这个 方向。埋地管线抗震设计规范的发展方向即是从早期的弹性设计到现在正在研究发展的 极限状态设计即性能设计。一般思路就是先建模用有限元进行分析，再基于有限元结果 提出抗震设计用的简化计算公式，以期在工程实际中用公式就能估算管子反应的最大应 变值，进而采取抗震构造措施。对于埋地管道跨断层的弹性设计，现有理论已较为成熟。 而对于极限状态设计还在研究阶段，以期在工程设计中利用简化出来的公式指导实践， 以达到我们进行理论研究的目的，这是研究的重点。 a n s y s 程序是一个功能强大的灵活的分析软件。其不断改进的功能包括：结构高度 非线性分析、接触分析、自适应网格划分，大应变有限转动分析等。而且具有丰富的 单元库，其中包括空间弹塑性梁单元和解决土体与管线问相互作用的接触单元，还可以 定义材料的非线性参数：在问题的求解时，可定义不同的荷载步及收敛准则，因此给非 线性有限元的求解带来了很大的方便。综合考虑各种模型的优缺点，本文认为运用此软 件分析地面大位移对地下管线的影响较为理想：可定义土体材料的非线性，并采用接触 单元模拟土与管线的非线性相互作用和对管线的大变形破坏进行分析，届时可以控制有 限元分析的精度。 采用a n s y s 有限元软件，建立地面大位移对地下管线破坏的非线性有限元计算模 型，计算地下管线的轴向应力应变和剪应力剪应变，计算结果与相关震害相比较，以验 证该方法的正确性和有效性。并分析沉陷区域长度和深度、土体的弹性模量、管线埋深、 管径、管壁厚度等因素对地下管线抗震能力的影响，为地面沉陷大位移区管线抗震设计 和震后修复提供一定的指导。根据震害，针对地面位移对地下管线的破坏特点，归纳总 结出一些防治地面沉陷位移对地下管线破坏的具体措施。 但是，由于地下管线抗震研究涉及到土的非线性和管土相互作用等许多问题，为 了使结果更加科学可靠，还要不断深入研究管土相互作用模型。 1 5 本文研究内容和安排 土的沉陷问题涉及复杂的土力学特性，实验研究也较难模拟。利用三维有限元计算 模型分析管土作用，便于观察分析管线的变形部位和变形大小。因此，本文将利用有限 大连理工大学硕士学位论文 元理论，对管土作用体系进行非线性分析，将管线计算模型模拟为薄壳模型，周围土体 模拟为非线性土弹簧作用于管壳的每个单元节点，进行分析；同时也为了更接近真实反 映管土相互作用、了解管线对土体产生的影响，第五章将在管土交界面加接触单元来模 拟管土间的相互作用，采用逐步位移加载，对其进行计算分析，观察分析管线的变形部 位和变形大小。 由于本论文涉及到非线性问题，而a n s y s 软件又可以模拟高度非线性问题，内部 包括大量单元库，同时可以控制有限元分析的精度。因此采用该软件进行遭受沉陷作用 的埋地管线反应分析。 本文内容章节具体安排为： 第一章阐述论文选题的背景、目的和意义，以及在沉陷作用下埋地管线的震害特征， 埋地管线抗震研究的进展。 第二章将在前人研究的基础上来介绍埋地管线几种的研究方法，着重其有限元的研 究方法。有限元的研究模型主要包括弹性地基粱、土弹簧模型和管土接触作用的模型。 并简单介绍非线性有限元分析的相关理论，包括非线性问题的种类、非线性问题的求解 方法以及在本文中问题非线性的实现，结合a n s y s 中处理模块和求解器功能对管土作 用体系中的材料非线性实现和几何非线性实现进行了说明。 第三章将逐项介绍如何实现有限元建模，包括管线模型、土体模型、管土相互作用 模型_ ； 及边界条件和判断准则等。模型单元选自a n s y s 自带单元库，本章中给出了所 选单元的详细介绍。 第四章将管线周围土体简化为非线性弹塑性弹簧，采用薄壳单元对管线结构进行离 散，依据管线与土体系统平衡的有限元方程，利用a n s y s 大型有限元软件进行分析， 计算土弹簧模型下埋地管线的应力和应变。总结管线在沉陷位移作用下的大致反应规 律。 第五章为了更好地描述管土相互作用，建立管土相互接触作用的壳模型，通过管土 接触壳模型计算场地沉陷作用下埋地管线的反应，得出分析结果。并通过大量计算，定 量分析了沉陷长度、沉陷深度、管线埋置深度、管线径厚比、填覆土质、管内压以及管 土摩擦系数等因素对反应结果的影响，对计算结果进行比较，寻找敏感因子，总结埋地 管线在沉陷情况下应力应变反应的变化规律。通过控制加载步长观察控制点的位移和内 力变化，推断管线运动状态，模拟管线破坏过程。 第六章对全文内容进行总结，得出本文主要结论以及不足之处，并对埋地管线研究 下一步的工作研究提出展望 埋地管线在沉陷情况下的响应分析 第二章受场地沉陷作用的埋地管线研究方法 2 1 引言 随着计算机技术的发展，有限元方法发展越来越迅速，埋地管线的研究亦是如此， 有限元方法已经成为埋地管线当前研究的主要趋势。有限元法是力学、应用数学与现代 计算技术相结合的产物，是一种对相关问题利用控制方程进行近似求解的数值分析法， 在数学上x c - e 适用性、收敛性等都有较严密的推理和证明。有限元是一种有效的数值分 析方法，和其它数值分析方法比较，有限元法有几个突出的优点： ( 1 ) 可以用于解决非线性r - j 题； c 2 ) 易于处理非均质材料，各r e 异性材料； ( 3 ) 能使用各种复杂的边界条件。 沉陷作用下，管士系统的动力平衡方程为： 瞳肛 + c 戤 + k 肛 - f ( 2 1 ) 其中 m 】、【c 】、医 分别为系统的质量、阻尼和刚度矩阵；忸 、讧 、忸 分别表 示系统的运动位移向量、速度向量和加速度向量；仁 为外力列向量； 静、动力试验结果表明在分析管线变形时，动力作用可以忽略不计，因此体系的平 衡方程可简化为： k 肛) - f ) ( 2 2 ) 将留) 分为z 。和置两部分，分别表示管道节点和土弹簧边界点上的位移向量；仁) 分为f | 和e 两部分，分别表示管道节点和土弹簧边界点上的外力向量；相应把陋j 重新 分块，可写作： 陡乏】鬣 一偿 g 【k 局肛j 。1 e j 叫 当地面仅发生沉陷位移时，为零项，则方程组为： 艘您燃 1 【如】忸， + 阮】仁。) 一位 pv 剿墨1 飞丁“ u 驯 大连理工大学硕士学位论文 给出地面沉陷位移佤 ，进行加载，设定迭代位移步长，进行迭代求解，当土弹簧 载荷相邻迭代值比值趋近于1 时，即式( 2 5 ) 成立，迭代结束。并以同样迭代原理，由此 方程组就可以一步步求得管线单元的应力应变反应，判别管道单元或土弹簧单元所处的 状态。 2 2 几种埋地管线研究方法 地下管线是一种特殊的地下结构，周围受土介质约束，其特性在很大程度上受土的 限制，因此研究地面大位移对地下管线的反应分析是一个复杂的非线性问题。近年来土、 结构相互作用问题受到了人们的重视，成为结构工程中的重要研究课题。随着数值方法 的发展，相互作用问题的研究取得了相当大的进展。所以考虑地面大位移对地下管线的 影响，闯题关键在于怎样考虑土与地下管线之阔的相互作用。 那么依据管土相互作用模型来分类，迄今为止主要有弹性地基梁模型、基于土弹簧 的有限元模型和管土相互作用的非线性接触模型。以下介绍这几种模型在数值分析中的 应用。最后结合这三种力学模型的优缺点，本文将分别建立沉陷情况下的地下管线的土 弹簧的模型和管土接触壳有限元模型，通过算例分析埋地管线反应情况。 2 2 1 弹性地基梁模型分析方法 管土间的相互作用过程可视作弹性弹簧的施力过程，管线的反应则可以看作是弹性 地基梁，这种方法适用于场地变形是中小程度的情况 日本学者在七十年代提出地下管线与土之间存在相互作用的理论时，提出了弹性地 基梁模型，将管线与土之间看作有若干弹簧连接。地下管线一般埋设在一定深度，将地 下管线看成弹性地基粱，考虑管线与地基之间协调变形。弹性地基粱中最著名的是文克 尔地基的局部弹性地基模型，实际上就是把地基模拟为刚性底座上一系列独立的弹簧。 此模型的缺点：其主要基予小型结构的手算分析，对于大型复杂结构不适用。 1 ( 1 ) 3 ( 3 ) 5 ( 5 ) 7 仍9 ( 9 ) 季( 2 ) 车( 4 ) 季( 6 ) 季( 8 ) 季( 1 0 ) 2 i4 l 68 i10 l 图z 1 二维粱及土弹簧单元分析模型简图 f i g 2 12 - db e a ma n ds p r i n gf f i n i me l e m e n tm o d e l 概述采用弹性地将模型的埋地管线相关研究有： 埋地管线在沉陷情况下的响应分析 ( 1 ) 日本神户大学高田至郎，取穿过沉陷区和非沉陷区的一段管道如图所示模型， 用弹性地基上的连续梁进行分析，得出受沉降作用的埋地管道简化分析公式。此模型将 管线模拟成梁单元，将土体模拟成弹簧单元；同时考虑弹簧单元和管道单元的非线性特 征，建立平衡方程，求解管道及土体反应状态方法简便，只是难以模拟壳性屈曲破坏 过程。 拶益 串 y o ，y 图2 2 分析模型 聪2 2a n a l y s i sm o d e l 蹦。+ k s k - 0 e f + x s g j z o ) - o 式中，y l ，y 2 ：非沉陷区和沉陷区管子位移； e 管子弹性模量； i ：管子几何侯性据； k s 土的弹簧常数； y 0 ：土沉陷量； d ：管径 边界连续条件： 卜- o ，y l 一) ，：，y i - y ；，y ：y ； 杠- ，y 2 - y o , y ；- 0 l 工_ 一，y l - y o , y l - 0 僻o ) ( 2 6 ) ，0 ) 、。 ( 2 7 ) 依据边界连续条件可解方程求得y ly 2 ；求得管道最大弯曲应力： 盯。- ) ，o e d 卢2 e - x 4 j( 当x = p 4 6 时，其中：卢4 - k 4 e 1 )( 2 8 ) 该计算方法是该领域开创性研究，他导出了计算管子应力、接头位移和转角的简化 公式，在工程实际中得到应用。但弹性地基梁的模型还有待改进；求解方程是在当x 趋 大连理工大学硕士学位论文 于无穷大时，管道沉陷等于土沉陷量的条件下得出的。所以它更适用于距离交界面无穷 远处发生最大沉陷的情况。 ( 2 ) 1 9 9 6 年高惠瑛【2 】采用弹性地基梁模型，对管道变形到最终位置的状态进行分析。 非沉陷区，管线处于弹性反应状态，而在沉陷区发生了大变形。两个区段分剐用不同的 模型描述，使得它们在交界面处的变形和受力协调。 对沉陷区的管道来说，从变形模拟入手，根据实验，管道变形随着沉陷量增大，逐 渐里三次曲线状态。于是高惠瑛采用三次曲线方程模拟此时管道的几何大变形，即图z 3 示a b 段：) ，o ) 1 甜3 + 如1 c 。根据相应的边界条件可求得a 、b 、c 值。此时再建立管 道受力分析平衡方程和内力计算递推公式，即得出受场地沉陷作用的埋地管线的内力及 变形；她提出了新的变形模型，适用于距离交界面有限长度发生最大沉陷的情况。是对 原有分析方法的改进。 + - 弹性地基梁一+ _沉陷区 - 塾故 bw 。畜、缴? ? 原地面 a 管线初始位置 a 管线最终变形 图2 3 受沉陷影响的埋地管线的变形分析模型 f i g 2 3p i p e l 抽g e o m