（力学专业论文）海底管线的地震响应和抗震设计方法研究.pdf

内容摘要 进行海底管线的抗震设计意义重大。因为无专业的海底管线抗震设计规范， 目前依照陆地管线规范进行海管抗震校核时多次出现应力计算值过大、管线结构 尺寸对地震应力值影响甚微等问题，这些现象对抗震结构设计带来很大困惑。 针对这些问题，根据海底管线的结构形式和铺设分类，对海底管线抗震设计 理论和方法进行了系统的研究，内容主要包括海底平铺管线地震波响应特性分 析；平铺管线断层适应能力计算：过渡弯管地震应力计算；抗震设计方法程序化 和软件设计。 在详细分析现用设计方法的的基础上，结合海底管线的实际铺设环境，进行 了理论分析和实例计算，得到如下结论： 建立在管土之间约束为弹性约束的现用设计方法，不能简单的应用于海底管 线的抗震设计： 建立在约束管线土壤塑性滑移理论上的新抗震设计方法极限地震应力 计算法是计算海底管线地震应力的有效手段，该法正确反映了海底管线的实 际应力状况，及其结构和埋设深度的特征； 给出了海底管线适应断层能力计算方法，实例判断海底管线对断层的适应能 力明显优于陆地管线； 拟静力方法是计算弯管段地震应力的有效手段，海底管线弯管段在地震中几 乎不会发生共振破坏； 给出了海底管线抗震设计方法的程序化公式和专业软件。 关键词：海底管线，单位长度摩擦力，极限应力，塑性约束，地震 a b s t r a c t t h es e i s m i cd e s i g no f o f f s h o r ep i p e l i n e si sv e r yi m p o r t a n tt od e c r e a s et h e i rf a i l u r e r i s k r u l e sf o rs e i s m i cd e s i g no f o n s h o r e p i p e l i n e sa r ea d o p t e df o rd e s i g no fo 低h o r e p i p e l i n e sa g a i n s te a r t h q u a k eb e c a u s eo ft h el a c ko fm e t h o d sf o rs e i s m i cd e s i g no f o f f s h o r ep i p e l i n e s t h ea d o p t i o nr e s u l t si na s e r i e so f p r o b l e m s ： 1 ) t h ec a l c u l a t e ds t r e s s e sa l em u c h l a r g e r t h a nt h er e a l s t r e s s e si n d u c e d b y e a r t h q u a k e 2 ) t h ec a l c u l a t e ds t r e s s e sa r ea l m o s tu n r e l a t e dt ot h eb u r i e d d e p t ha n d t h eg e o m e t r i c p a r a m e t e r so f t h ep i p e l i n e s ，s u c h a st h ed i a m e t e r , w a l lt h i c k n e s s o rs e c t i o n a la r e a s u c hp r o b l e m sh a v eb e e n f r u s t r a t i n gt h ep i p e l i n ed e s i g n e r s ，a n dp u tt h ed e s i g n e r s i n t od i f f i c u l t i e si n a d j u s t i n gt h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r sa n dt h eb u r i e dd e p t ho ft h e p i p e l i n e si ns e i s m i cd e s i g n t os o l v et h ep r o b l e m s ，t h i sp a p e r p e r f o r m e d a c o m p r e h e n s i v es t u d yo nm e t h o da n d t h e o r y o fo f f s h o r e p i p e l i n e s e i s m i c d e s i g n i na c c o r d a n c ew i t hi t ss t r u c t u r a l c o n f i g u r a t i o n sa n dl a y i n gf o r m s t h es t u d yi n c l u d e st h er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so f o f f s h o r et i l e - l a y i n gp i p e l i n e sa g a i n s tt h es e i s m i cw a v e ，c a p a c i t ya n a l y s i so fo f f s h o r e t i l e l a y i n gp i p e l i n e sa g a i n s tt h es e i s m i cf a u l t ，s t r e s sc a l c u l a t i o no ft r a n s i t i o ne l b o w p i p ea g a i n s te a r t h q u a k e ，a n dt h es o f t w a r ed e s i g no f t h e s e i s m i cm e t h o d s a f t e rh a v i n ga n a l y z e dt h ec u r r e n ts e i s m i cd e s i g nm e t h o d ，t h ef o l l o w i n gr e s u l t sa r e g o tb yt h e o r e t i c a la n a l y s ea n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o no fo f f s h o r ep i p e l i n ep r o j e c t s ， w h i c ht a k et h ev i r t u a ll a y i n gs u r r o u n d i n g si n t oa c o u n t t h ec u r r e n ts e i s m i cd e s i g nm e t h o db a s e do ne l a s t i cc o n s t r a i n ts t a t eb e t w e e ns o i l a n do f f s h o r e p i p e l i n e s c a n n o tb e a p p l i e ds i m p l y t ot h e d e s i g n o fo f f s h o r e p i p e l i n e s an e wm e t h o do nt h eb a s i so ft h e p l a s t i cs l i p p a g et h e o r y f o rs o i l p i p e l i n e i n t e r a c t i o n t h eu l t i m a t e s e i s m i cs t r e s sc a l c u l a t i o nm e t h o d p r e s e n t s t h e m a t h e m a t i c a lc o r r e l a t i o no ft h es e i s m i cs t r e s sw i m t h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r sa n d t h eb u r i e dd e p t ho f t h ep i p e l i n e a c a p a c i t yc a l c u l a t i o nm e t h o d o ft h eo f f s h o r ep i p e l i n e sa g a i n s tt h es e i s m i cf a u l t s i sd e v e l o p e d t h eo f f s h o r ep i p e l i n e sh a v es t r o n g e rc a p a c i t ya g a i n s ts e i s m i cf a u l t t h a nt h el a n dp i p e l i n e sb y j u d g e m e n to f t h em e t h o d t h e p s e u d o s t a t i cm e t h o d i se f f i c i e n tt oc a l c u l a t et h es e i s m i cs t r e s so ft h ee l b o w p i p e t h e t r a n s i t i o ne l b o w p i p e c a n n o tr a i s e sr a s o n a n c eo ne a r t h q a u k e t h es e i s m i c d e s i g nm e t h o do fo f f s h o r ep i p e l i n e s i s p r o g r a m m e d ，a n dt h e n b e c o m e sap r o f e s s i o n a ls o f t w a r e k e y w o r d s ：o f f s h o r ep i p e l i n e s ，f r i c t i o n f o r c eo fu n i tl e n g t h ，u l t i m a t es t r e s s ，p l a s t i c c o n s t r a i n t ，e a r t h q u a k e 茎二主塑垄 第一章概述 1 1 海底管线抗震设计方法研究意义 管线( 地上、地面和地下) 已在输油、气、水以及通讯、供电、交通和排 水等方面得到了广泛的应用，成为现代化和城镇生活的大动脉，因而被人们称 为生命线工程【l j 。 随着现代工业技术的不断进展，人们对能源的需要日益剧烈。当今，石油 仍然是主要的能源之一。所以，有关石油、天然气资源的开发和利用，也已成 为社会活动的关键所在。 海洋是人类的天然宝库。它占地球表面积7 0 8 ，虽然自古以来早就作为渔 场和航路，但人类对海洋的开发和利用的程度远比不上对大陆的开发和利用。 而今，在对海洋资源的开发和利用中，吸引力最大的就是海洋油气资源的开采， 并已遍及世界各沿海国家和地区。 海洋油气资源的开发，目前正集中致力于占海洋面积7 6 的大陆架，一般 水深在2 0 0 米以内，总面积约2 8 0 0 万平方公里。从地质成因研究得出：大陆架 区域具有巨厚沉积岩层，蕴藏着丰富的油气资源和各种沉积矿床。因此，大陆 架首先被称为“天然的海底大油库”。 在海洋油气资源的开发和利用中，必然地要在海上设置和应用各类石油钻 井装置、钻井平台、采油平台、集输油平台和储罐，以及海底油气管道等的海 洋工程结构物与装置。 海洋油气管道，本身就是海洋工程结构物的一种类型。它与其它结构物一 样，受海洋自然环境条件的影响。这些影响有水文、气象、海况等海洋学方面 的因素；有海底地形、地质等海洋地质学方面的因素。特殊情况还需考虑地震、 海啸等偶然因素的影响。所以海底油气管线工程，在勘察、设计、旌工安装与 运行使用等各个阶段，都应认真地考虑海洋自然环境对它的作用和影响 近些年来，随着海洋石油、天然气的开发，海底管线在世界范围内得到了 广泛应用，成为海上油气田开发工程中的一个重要环节。而且，按照我国油气 工业目前的发展趋势，海上油气田 在今后一段时期内将成为稳定我国原油产量的主导力量，这同时也预示着 皇里盔堂竖主生堂塑塑堂 我国海底管线的铺设量会随之有较大幅度的增加2 7 1 。 因为海底管线本身的昂贵造价，对海洋油气田正常生产的关键作用，加上 事故维修的复杂性、高费用、容易造成较大的环境污染、日益受到重视的海洋 环境保护等原因，海底管线的安全问题e 受到国内外多方面的关注，如何确保 这些生命线在未来的运行中安全可靠? 是当前工程设计和管理部门面临的关键 问题。 地震具有巨大的破坏性，它会对海底管线的安全运行构成相当大的威胁， 因此，海底管线的地震应力计算成为国内管线工程设计人员面临的重要问题之 一。中国沿海及邻域濒临世界上最活跃的地震带环太平洋地震带口”，主要有 台湾地震带、东南沿海地震带、郯城一庐江地震带、河北平原地震带、燕山地 震带和唐山一蓬莱地震带。该地区的地震具有活动频率高、强度大、群发行强 和危害性严重等特征。根据统计资料知道，自上世纪以来，我国已发生m 6 级 的破坏性地震6 5 0 多次【22 1 ，其中7 级及其以上的地震】0 7 次，8 级以上的巨型 地震9 次。上述地震中的二分之一强震分布于沿海及近海地区。台湾岛及邻域 地震最为强烈，仅1 9 4 9 年以来便发生了7 级及其以上地震2 0 次【2 3 1 ，占全国同 期同级地震近五分之二。在中国近海及邻域，除南海中南部较为稳定外，其余 海区均发生过多次强震。各海区的最大震级：渤海为7 5 、黄海为6 8 、东海为 6 、台湾海峡为8 、南海为6 、台湾以东海沟地带大于或等于8 【2 4 1 。中国海域地 震占全国地震总数的8 5 t ”】。 1 2 管线抗震设计研究的发展与现状 1 2 1 陆地管线抗震设计研究的发展与现状 管线抗震设计方法研究是从陆地管线开始的。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，从1 9 7 1 年圣费尔南多地震以后，人们逐 渐认识到地震工程的重要性，感到以往的地震工程学过于偏重建筑物、桥梁、 堤坝等结构物，并开始以系统的观点对生命线地震工程进行研究。 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。1 9 7 8 年美国机械工程学会压力容器和压力管道委员会成立了生命线地震工程专业小 组，并于1 9 7 9 年6 月在旧金山第三届压力容器和压力管道会议上，召开了生命 2 蔓二里塑笙 线地震工程专业组的学术会议，并出版了生命线地震工程论文集。1 9 7 9 年8 月 在美国第二届全国地震工程会议上，发表了6 篇关于生命线地震工程的论文。 1 9 8 0 年8 月美国机械工程学会压力容器与压力管道委员会在旧金山召开了第二 届生命线地震工程专业组学术会议，收到论文3 3 篇，其中日本提供的日本生 命线地震工程最新进展5 5 专辑，由1 8 篇论文组成。1 9 8 1 年美国土木工程学会 生命线技术委员会在奥克兰召开了第二次会议，并出版了文集。1 9 8 3 年6 月美 国压力容器和压力管道委员会在波特兰组织召开了世界生命线地震工程会议， 出版了有6 0 篇论文的文集。此后这两个委员会基本每三年就召开一次会议并出 版会议论文集。 国内于1 9 7 1 、1 9 7 7 、1 9 7 8 年分别颁发了铁路工程抗震设计规范、公路 工程抗震设计规范、室外给水排水和煤气热力工程抗震设计规范，于1 9 8 2 年颁发了室外给水排水工程设施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 0 年出版了抗震论文集地下管线抗震一书，1 9 9 4 年 出版了生命线地震工程一书。 这些论文及书干0 的发表使人们对管线抗震的认识，由单体的考虑、分析和 设计发展到从整个系统的考虑、分析、权衡和决策。但是，在陆地管线抗震工 程的发展中，由于地震的复杂性，同时出现了许多有待解决和研究的问题，下 面给出其中几种情况： 管线的地震灾害和场地的破坏密切相关，但目前场地破坏的分析结果满足 不了生命线工程的要求和需要。例如对地表断裂发生时的位置、走向、可 能性、错动量等可给出定性判断，但还难给出较为精确的定量估计； 管线工程涉及的结构种类复杂，其中，对很多结构在地震中的破坏机理及 其分析方法上的研究还不够，地震时的表现也不甚清楚，但这却是制定抗 震设计方法的基础； 管线工程的震害资料和一般房屋相比要少的多，很难给出统计关系。 i 2 2 海底管线抗震设计研究现状 相对于陆地管线抗震设计方法的研究，科学工作者和工程人员在海底管线 方面的工作要少的多。至今为止，还没有一个可用于海底管线抗震设计的规范 形成，就是专门针对海底管线抗震的研究论文也非常稀少。中国船级社嘲和挪 一一星旦盔望堡主量堂堂塑宣 威船级社都没有给出具体可参照的管线抗震设计方法，仅在考虑环境载荷部分 提到：如果铺设管线在地震带要考虑地震载荷的影响。 但是，国际上对海底管线其它方面的研究已经有较长的历史，尤其近年来， 每年一次的海洋技术会议( o t c ) 、海洋力学和极地工程会议( o m a e ) ，深海 技术会议( d o t ) 都设有管线讨论专题。对海底管线抗震设计方法研究有促进 的工作主要有：在管土之间相互作用的试验分析；悬跨管线的动态特性试验和 理论分析上【1 4 , 1 5 1 6 1 。 m a t s u b a r a 4 5 1 等对影响埋设管线抗震设计的重要参数土弹性系数进行了 研究，结果说明它与管线埋设深度、土壤剪切模量等因素有密切关系。 k e r s h e n b a u m 4 6 1 等对铺设在地震断裂带上的水下管线研究后发现，地层错动对 水下管线的弯曲和轴向应力作用较小，水下管线相对陆地管线比较安全。 r o m a g n o l i l 4 7 】等通过随机方法结合有限元建模技术，预测铺设在海床上的管线可 能的破坏形式。 m a s a l y 和d a t t a 4 9 以一理想悬跨管段为对象研究其横向地震响应特征，给出 受横向随机地面运动激励时的频谱分析法。f i g a r o v 和k a m y s h e v 5 0 1 研究了海底 管线抗震稳定性动力问题，考虑通过包围管线的土壤传递地震载荷，证实管线 承受的最大动力效应来自管线振动的纵向地震波，阐述了管线共振现象的可能 性。p a u l i n 1 川和v e r l e y l l l l 分别通过不同的方法研究了管土相互作用对管线地震 应力的影响。b r e n n o d d e n ，l i e n g 等( 1 3 】在能量基础上建立了一种新的管土相互作 用模型。 针对地震断层的影响，n e w m a r k 和h a l l t 3 6 1 首先给出了在连续管线变形假设 基础上的断层应力分析方法，这个方法也是现今大多陆地管线抗断层设计方法 的基础，有比较可靠的工程应用背景；a d m a n t 3 9 1 、v o u g i o u k a s 4 0 等也针对管线 的断层问题进行了讨论，提出了一定的建议。 由于国内相对国外来说，海底管线铺设较晚，所以在这方面的研究相对要 少一些。主要成果有林钟明等刚评述了与抗震设计相关的双层油气管线的工作 原理、强度标准与损伤评判等方面的研究工作，提出了积极的建议，并说明进 行海底管线抗震研究的必要性和紧迫性。 这些工作都得到一些比较有用的结果，但由于针对性和系统性不强，并没 4 第一章概述 有形成工程上可实际应用的海底管线抗震设计方法。因此，国际上的管线工程 设计部门在进行海底管线的抗震设计时，基本参照陆地管线规范进行抗震设计。 b r u s c h i 4 8 1 在研究海底管线地震条件下的机构完整性时，也指出了这个问题。 由于海底管线本身所具有的技术复杂、投资高、风险大等特点，国内在该 领域的研究和实践起步较晚，做的工作还比较少，仅有少量的论文就某些具体 情况进行讨论后给出了一些参考性的成果嘲，同样，缺乏一个系统的、可实际 应用于抗震设计的研究成果。 目前，国内工程设计人员在海底管线的具体抗震设计时，还没有属于自己 的规范【7 】。因此，设计人员在海底管线的抗震设计时，如果考虑到地震的影响， 所参照的设计规范1 9 】基本上与日本的陆地管线抗震设计规范相同。 但是，经过我国海底管线工程设计专家根据此规范多次的设计实践发现： 地震应力几乎达到2 0 0 m p a 的量级。这对那些工作压力高、温差变化大的管道 作强度设计带来相当的困难。甚至在进行b z 2 8 一l 出油管道设计时，按照此抗震 设计方法无法满足d n v8 1 年“海底管线系统规范”的要求，只好改用应变控 制准则进行设计i7 1 。因而，工程人员提出了依照该规范是否合理的问题，希望 在通用的海底规范中能够给出抗地震设计的内容，包括给出地震力计算方法， 明确地震载荷性质，规定考虑地震作用时管材的许用应力或应变。 1 3 地震作用的介绍 地震作用，即设计人员习惯称的地震力，也称地震载荷。地震作用是建筑 结构设计的基本依据，是结构抗震设计能否取得安全与经济完美协调效果的前 提。抗震设计时，结构所承受的“地震力”实际上是由于地震时地面运动引起 的动态作用。 关于地震作用的研究，在上世纪末本世纪初已在日美等多地震国家开始进 行，它的发展过程也体现着结构抗震动力学的发展史，经过近一个世纪的发展， 取得了相当注目的成就。 本世纪早期，人们已认识到水平地震作用是招致结构地震破坏的重要因素， 因而在设计中考虑了水平地震力的作用。限于当时科学技术发展水平，一般只 能采用与结构重量有关的侧力系数法或震度法，由于这种方法没有考虑结构物 复且大学博士后出站报告 的自振特性( 周期、振型与阻尼) ，也没有考虑地震动特点与场地条件的影响， 因而是不够合理的。 2 0 世纪4 0 年代以来，美国学者通过单质点摆在地震时的观测和理论研究， 提出了地震反应谱的理论与相应的计算方法，这是地震工程学中一项重大、突 破性进展，使结构地震作用的确定方法进入了科学时代，从此，有关反应谱的 进一步研究、振型分解反应谱的应用、竖向地震反应谱的研究等重要成果相继 出现，使结构地震作用建立在弹性反应谱理论基础上的、适用于对称和不对称 结构的振型分解法和在此基础上简化获得的底部剪力法、底部轴力法等获得了 广泛和深入的应用，在世界各国抗震设计规范中作出了明确的规定。 在振型分解反应谱法盛行2 0 余年后，人们为了了解建筑物在地震作用下振 动的全过程，特别是结构某些部件进入塑性时结构的地震作用、地震内力和变 形发展与特征，在计算机及应用软件技术发展的基础上，研究并成功地提出了 时程分析法，直接采用地震动加速度记录输入结构基底对结构进行全地震过程 的动力计算，从而给出结构任一时刻的地震作用和相应的结构内力与变形，这 是结构抗震动力学发展的重大成果，已被世界上不少国家的抗震设计规范所采 用。 地震作用一般分为以下几种形式f 冽： 弹性地震作用 当结构在地震作用下处于弹性阶段工作时，结构的内力与变形均与地震动 作用的强度成订三比，地震的作用过程结束，结构将恢复原阶段，其地震内力与 变形消失。 弹塑性地震作用 当结构在地震作用下部分或某个构件进入塑性时，由于屈服部分的受力不 可能再增长、将引起地震作用和结构构件内力的重分布，结构的地震作用不再 和地震动强度成正比，这是结构弹塑性地震作用的基本特征。 假想弹性地震作用 一些规范中规定计算地震作用的公式是以弹性理论为依据，即假定结构处 于弹性阶段工作时推导得到的，所以按规范给出的对应于基本烈度和罕遇大震 烈度的地震作用公式均是按弹性方法计算出来的弹性地震作用，但它并不意味 6 箜二童堡堕 着结构在基本烈度和罕遇大震烈度地震作用下还处于弹性阶段工作。从这个意 义e 讲，只是一种假设结构不屈服，不进入塑性而按弹性方法计算出来的弹性 地震作用，它在客观上并不存在，因而是一种假想的弹性地震作用。这是为了 实现整个抗震计算中某些需要而采用的一种计算手段，它们的计算结果不能直 接应用到抗震设计中去。 1 4 海底管线抗震设计方法研究的分类 在工程上，把地震对管线的影响一般分为地震波影响和地震断裂带影响两 大类；从管线沿海底路由的布置形式出发，可以分为平铺管线、弯管段和立管； 从管线在海底的铺设形式出发，可以分为埋设管线、裸露管线和悬跨管线。 根据以上分类方法，结合陆地管线的设计方法分类形式和工程抗震设计的 实际需要，把对海底管线抗震设计方法的研究分为以下几个方面： 1 4 1 海底埋设管线的地震波影响应力计算 已建的海底管线大部分在铺设时采取了埋设的方式，尤其是我国渤海地区 的海底管线。要求管线挖沟埋设主要有三个方面的原因： 所处海域海水比较浅，海底的波浪力和海流力较大，挖沟埋设可使管道免 受水动力作用，保持长期稳定； 所处海域为渔业作业比较频繁，挖沟埋设后，即对管线起到保护作用，又 不影响渔业活动； 管线路由土壤比较松软，挖沟作业比较容易，费用比较低。 对于埋设的管线，当地震发生时，由于地震波引起的土壤变位作用，管线 发生相应的变位，产生地震应力。 海底埋设管线的地震波影响应力计算是当前海底管线地震应力计算的主要 内容，现在工程上地震应力计算中出现的闽题也主要在这个方面，所以也是本 课题研究的主要内容。 1 4 2 海底裸露管线的地震波影响应力计算 在确定海底管线铺设方案时，如其处于渔业作业很少且海水较深的海域， 经常直接把管线裸露铺设在海床上。对于这种铺设形式的管线，目前还没有用 于地震应力计算的方法，国内外普遍的做法是如果管线直接裸露在海床上，不 7 堑呈盔堂壁主亘堂塑塑宣 进行地震应力校核。但实际上，工程设计人员还是希望能够给于这种铺设形式 的地震应力一个量的标准，以便在管线更详细的设计时有理论依据。 根据实际经验和计算的简化要求，可以对这个问题进行两种假设。一种是 假设海底土壤较密实，承载力较大，平敷海管未发生沉降：另一种是表面土较 松软，海管由于自然沉降，加上海生物和海流的作用有自埋趋势“”，乃至被土 壤浅埋。从安全设计的观点出发，可假设其被浅埋，这种方法更为工程人员接 受。对于这两种假设的地震应力计算建议如下： 1 4 2 1 _ 在海底面平放、未覆盖 和海床理想接触的海底管线，其真空中模型首先可以简化为具有若干个弹 性支座的等截面梁。但是，当弹性支座较多时，求解频率方程比较麻烦，在这 种情况下可将其进一步简化为符合文克尔( w i n k l e r ) 假定的弹性地基梁“”。文 克尔梁图卜1 所示： 图卜iw i n k l e r 弹性地基梁 以此假设建立的弹性地基梁自由振动微分方程为： 。等蛔一m 等 其中，y 为粱的抗弯刚度，f 为地基弹性系数，为梁的平均质量a 在液体介质中振动的弹性结构动力特性和真空中所得到的结构特性有很大 差别。但在近似计算中经常遇到的最普遍假设是认为结构在液体中的振型与真 空中的相同，这种假设与其它假设相比的优点就是：可以把液体弹性问题分解 为一系列比较简单的问题，适合工程的应用。 解这个问题的步骤首先确定真空中的振型，然后计算附加质量，通过前面 第一个问题的解得到结构的振型。最后考虑附加质量求结构的自振频率，对应 地震谱得到应力。 4 2 2 沉降浅埋 8 堡兰塑垄 这种情况相对于前面埋设管线地震应力计算，只是土壤的约束条件发生了 变化。如果比较保守的估计管线地震应力，计算出极限应力就可以了，这个结 果基本可以满足工程人员的设计要求，而且比较容易实现。在课题的研究中， 对海底裸露管线的地震应力采用此假设前提。 1 4 3 地震断裂带对海底管线影响分析 在地震发生期间和震后都会出现永久地面位移。它们来源于剪切破坏和体 积变化所造成的不可逆变形，并随着地震动或在地震动后有所增长。永久地面 位移往往超过地震波的峰值地面位移，可用来说明地下管线最大地震变形的条 件。 与地震有关的永久地面位移主要原因和类型可以在表l - 1 进行简单描述。 表l - 1 地震中永久地面位移主要原因和类型 原因 说 明 地壳相邻部分的位移，集中在较窄断层区的运动。主要类型： 断层运动 1 走滑；2 逆滑；3 正滑。 饱和无粘性土变成液化状态，剪切强度显著降低所产生的位移。 液化 液化引起的运动包括：1 横行扩展；2 降低承载力；3 流动破 坏；4 沉陷：5 浮力效应。 地震动惯性力引起地面块体移动，位移形式有多种。主要类型 滑坡有：l 岩崩：2 土的浅层滑移或滑坡；3 岩土的深层平移和转 动。 压密干的或部分饱和无粘性土因地震动产生的体积缩小。 构造性升降 与构造活动性有关的区域性尺寸变化，一般遍布较大面积。 现代海底输油管线基本都是由塑性钢材制造，而且管段由合焊对按焊缝连 接，加上相对于陆地管线一般埋设都比较浅，因而，地震波对海底管线造成破 坏相对比较少。而对地下管道的破坏或严重变形更多的是地震断裂带运动造成 的。 地震断裂带对海底管线的影响也可以分为埋设和未埋设两种形式来分析。 实际上裸露管线经常都被浅埋，且在这种前提下所得到的应力通常虽保守一些， 但比较符合工程上的要求，所以，可以把其作为埋设管线来分析，只是约束相 9 塞呈奎堂堡主亘当塑塑宣 对较小。这样，对地震断裂带的应力计算就可以简化为埋设一种形式了。 1 4 4 海底悬跨管线地震响应特性分析 直接铺设在海床上的管线，由于底面的不规则形状，悬跨段的出现不可避 免。另外，海流的长期冲刷、淘蚀也可能使管道下面形成孔洞。如果再加上不 断通过的海流作用，这个悬跨距离就有可能加长，悬跨形式如图 - 2 所示。 图1 2 海底悬跨管线示意图 由于悬跨段的存在，在地震波作用时，管线可能出现不同予其它管段的地 震响应特征，因此，悬跨段的地震波响应也是管线工程界普遍关心的重要方面。 从海洋作业的现实情况看，详细勘察海底管线铺设路线上的实际悬跨长度 是一个相当复杂的问题，相对难以实现。比较合理的解决方法就是；根据海底 管线的常规考虑载荷、设定的抗震级别及管线允许应力，计算得到地震时保证 管线安全的最大悬跨，然后根据已有工程的调查结果和工程人员的经验得到新 工程可能的最大悬跨距离，进行比较，当调查的悬跨距离相比较小时，可以不 计算悬跨的影响，如果比值比较接近，可根据具体的跨段长度计算应力值，或 建议采取其它方式减小悬跨距离。 从工程应用的实际出发，具体计算时，可先假定悬跨管线为简支梁结构， 确定它的边界条件，和前面理想平铺管线的方法致，首先确定悬跨管线在真 空中的振型，其次计算附连水的附加质量，最后考虑附加质量求结构的自振频 率。对照地震谱得到管线悬跨处的最大应力。 由于悬跨管线在国内外的研究较多，且成果比较成熟，所以这方面的研究 本课题不作为重点。 1 4 5 地震中海底管线危险结构形式 根据陆地管线震害的经验，在管接头、管道出土处等特殊结构处的事故率 1 0 第一章概述 最高，同样，对于海底管线来说，一些特殊结构的地震应力分析对预防管道震 害有很大的意义，弯管段就是这些特殊结构中，也是最重要管段中的一种。 此处的弯管定义为：在海底平铺管线和平台上立管连接部，如图1 3 所示。 海底管线从埋地中伸出通过弯管和立管连接2 0 1 。作为连接处，又有埋地土壤的 固结作用，地震时将会导致复杂的应力问题。目前，国内外在这方面的研究几 乎是空白。 b 匿 产 长 廖 侈 图1 - 3 海底管线弯管段 至：里茎望堕亘岜塑塑童 第二章地震波作用下海底管线应力计算研究 2 1 埋地管线地震应力分析的基本特征 众所周知，大量的管道损坏和破坏正是在管道纵轴方向土层变形地震作用 的结果【l 】。 多次地震经验表明，地下埋设管线的破坏与否，并不决定于管线上的惯性 力，而是决定于管线及周围土壤变位大小。这是地上结构物和地下管线抗震设 计中应考虑的重要区别。 同样，在以往地震运动观测的基础上，知道地基与管线的运动非常相近， 且在管道轴向地震动与横向地震动属同一量级。测试结果表明，管道中的轴向 应变比弯曲应变大的多。因此，轴向变形在震害现象的分析中受到重视。 关于地震波引起的地下管道的动力分析问题，最早是假定管道和周围主体 一起运动，周围的土体应变就是管道的应变。但由于管线材料的弹性模量远大 于土壤的弹性模量，使管线的地震变位完全和土壤变位样，显然比较保守且 和实际情况不符，因此，考虑管线和土壤有相对变位的地震应力分析法是现今 最普遍的方法。下式是它的应力分析数学模型【1 2 8 j ： a 2 ；j “( ，) + 2 ( 材( 工，) 一甜l ( 五f ，) = 0 “ 巩亿为管道沿轴向的位移，口像土体沿轴向的位移，其中代表管道和土 体之间约束程度系数，管线轴线和直角坐标系的x 轴重合，文中后面方程中如 不特殊说明，情况相同。 但是，这个地震应力分析方法成立的前提是土壤变位处于弹性范围内，也 意味着在单位长度上，土壤作用于管线的地震作用力必须小于极限作用力，这 个极限作用力的大小决定于土壤的剪切强度和管线的外径等因素。对于陆地管 线来说，一般埋设比较深，土壤的剪切强度比较大，所以极限作用力比较大， 应用此法进行地震应力分析时，基本都保证了土壤变位处于弹性范围内。但是， 相对陆地管线，海底管线一般埋设比较浅，土壤的剪切强度比较低，土壤对管 线的极限作用力相对要小。 1 2 箜三童垫壁! i 堕旦! 塑堕篁垡窒垄生簦堑窒 1 9 7 5 年帕米利和勒德基4 1 提出用半弹性地基梁理论来分析地下管道的管土 相互作用。他们假设在半无限弹性地基表面下，某深处有一地下管道，管土 共同体系的动力反应可以用在管道处的一个水平集中力产生的静力位移来代 替，体系的运动方程为： 凹箸。，力+ e 昙如，) + 勋。，) = 一肼嘉，) 其中代表管道中单位相对位移的弹性抗力，值为以下形式：m ：m + m 。 其中m ，为管道质量，m 。为土壤的有效质量，c 为土壤与管道相互作用的阻尼 作用，“。( z ，r ) 为管道相对于土壤的位移，“，为地震动使管道产生的位移。 由于理论本身的局限性“3 ，这种方法在长途平铺管线的地震应力计算应用方 面还不名见。 2 2 土的应力一应变关系、抗剪强度和破坏准则 因为地震时土层的变形对管线的地震应力起着重要的作用，所以，了解土 层的应力一应变特性是正确分析管线受力的关键。 土的抗剪强度指土体抵抗剪切破坏的极限能力，其数值等于剪切破坏时滑 动面上的剪应力。抗剪强度是土的主要力学性质之，土是否达到剪切破坏状 态，除了决定于它本身的性质外，还与所受的应力组合密切相关，这种破坏时 的应力组合关系就称为破坏准则。 2 2 1 土的应力一应变关系 在材料特性研究中，有一种理想的应力一应变关系，如图2 - i 中曲线1 所示， 它是由一根斜线段和一根水平线关系。斜直线表示线弹性材料的应力一应变特 性，其特点是： 应力一应变成直线关系； 变形完全是弹性的，即应力增加，应变沿这一直线按比例增加，应力减小， 应力也沿这根直线按同样的比例减小： 应力与应变的关系是唯一的，不受应力路线和应力历史的影响。 水平线段表示力学塑性材料的应力一应变关系，其特点是： 垦呈二叁兰壁主巫当茎壑堂 应变是不可恢复的塑性应变： 一旦发生塑性应变，应变不再继续增加，塑性应变持续发展，直至材料破 坏。 两段直线交点c 所对应的应力是材料开始发尘塑性应变的应力，称为屈服 应力，同时又是导致材料破坏的应力。 土既不是理想的弹性材料，也不是理想的塑性材料，而是一种弹塑性材料。 在受应力作用时，弹性变形和塑性变形几乎同时发生。 一l 十一- _ 一一 。 应变硬化段i应变软化段 弹性段 图2 - 1 材料的应力一应变关系 在图2 1 中，曲线2 表示超固结土或密砂的应力一应变关系曲线，曲线3 表示正常固结土或松砂的应力一应变关系曲线。与理想的弹塑性材料相比，不 但材料的曲线现状不同，性质也有差异。 有的学者通过研究认为，曲线2 表示的土壤开始发生屈服的应力很小，在 图中应力一应变曲线2 起始的一小段，可以被认为接近于线弹性材料的性状， 如图中指示的o a 弹性段。以后，应力增加所产生的应变中，即包括可恢复的弹 性应变，也包括不可恢复的塑性应变。在应变的进一步发展后，由于出现显著 的塑性变形，表明土已进入屈服阶段，但是与理想塑性材料不同，这时塑性应 变增加了土对继续变形的阻力，所以开始屈服后，不是应力保持不变，而是能 1 4 一一 篁三皇些蕉鎏堡旦! 塑壅笪垡生垄盐簋翌塑 够承受更大的应力，屈服点的位置不断提高，这种现象称为应变硬化或加工硬 化，如图中指示的a b 应变硬化段。屈服点提高到极限值b 点，土体才发生破坏。 此外，对于属于曲线2 类型的土壤，到达峰值b 点以后，应变如继续发展，应 力反而下降，这一阶段，土的强度随应变的增加而减小，称为应变软化或加工 软化，如图中所示。在应变软化阶段，土体处于破坏状态。所以对于超固结土 或密砂，土的抗剪强度不是一个单一的值，而是与应变的发展程度有关。 在峰值点的强度称为峰值强度，在应变很大，压力衰减到稳定值时的强度 称为残余强度。在工程计算中，一般采用土的峰值强度，但是如果土体的历史 上受过反复剪切作用，则应考虑采用残余强度。 对于属于曲线3 类型的土，则只有一种剪切强度，即其极限值， 在后面的分析中，为了线性化理论分析，土壤的应力应变曲线假设为理 想的应力一应变关系曲线1 ，但屈服点c 对应的剪切强度取土壤的峰值强度。 这样即简化了分析，又可保证管线的安全。 2 2 2 土的破坏理论及准则 图2 1 所示应力一应变曲线是在某一种周围压力盯；作用下测定的。对于每 一种仃。就有个相应的抗剪强度值，如图2 2 所示。所以，土的抗剪强度，不 论是峰值强度或残余强度，都不是一个固定不变的数值，而是与土的应力状态 有关。这也是土区别于其它连续性材料的重要特点。 图2 - 2 材料的应力一应变关系及与周围压力的关系 堑里奎兰壁主亘堂堂望生 长期以来，人们根据对材料破坏的分析，提出了许多假设，也就出现了许 多不同的理论。在古典的强度理论中，可用于土壤的主要有下面三种： 广义特莱斯卡( t r e s c a ) 理论 特莱斯卡理论认为材料中一点的剪应力达到某一极限值时，该点即进入破 坏状态，故又称为最大剪应力强度理论。 广义密色斯( y o nm i s e s ) 理论 密色斯理论认为材料的应变能达到极限值时就进入破坏状态，故又称为撮 人畸变理论。 莫尔一库伦破坏论 莫尔一库伦破坏论以库伦公式作为抗剪强度公式，根据剪应力是否达到抗 剪强度作为破坏标准的理论。 土的破坏准则是一个十分复杂的问题，可以说，目前还没有一个被认为能 完满适用于土的理想准则。目前被认为比较能与试验结果拟和。因而为生产实 践所广泛采用的破坏准则，是建立在莫尔一库伦破坏理论上的莫尔一库伦破坏 准则。 如果可能发生剪切破坏的位置已经预先确定，只要计算得到该面上的应力， 就可判别剪切破坏是否发生。而对于海底埋设管线，因为埋设深度己预先知道， 地震时，土壤变形通过对管线的约束作用地震力到管线上，所以可根据此准则 计算来判别地震时约束土壤表面是否发生剪切破坏。 2 3 地震时管土相互作用的分类及其特征 地震产生的土壤变位对埋设管线作用时，因为土壤和管线的弹性模量不同， 管土之间不可避免的会出现相对变形，在这里我们可以首先假设和管线最接近 的，一层理想厚度的土壤紧紧的附着在管线上，完全和管线的变形一致，这样， 管土之间的相对变形就转换为土层之间的变形。 这样分析的目的是：管土之间相对变形产生相互作用时，受到防腐涂层、 表面光洁度等难以量化或量化操作性复杂等因素的影响，在实际地震力计算中 要正确给出其影响因子存在实际操作和经济等方面的困难，这样假设不仅保证 管线了安全，而且简化了实际参数测量、地震应力分析和计算的困难。 1 6 第二章地震波作用下海底管线应力计算研究 结合前面一节土层的应力应变关系，管土之间在地震波作用时，可能形成 弹性约束、弹性一塑性约束、或由边界泥土变为极限状态决定的塑性约束。 2 3 1 弹性约束 当管土之间为弹性约束时，机理类似于在管线表面和土壤之间存在着弹性 约束弹簧，阻止土壤的纵向或横向变位，如图2 3 所示。 如果地震动作用消失时，土壤在弹性恢复力作用下回到原来的位置。当然， 从前面分析知道，这样管土之间的弹性约束方式甚至在很小的位移下也是相对 的。但确实能利用这种方式建立管线任何截面处切应力与截面位移之间简单的 关系。这种模式首先由b a 弗洛林用来计算建筑物的剪移，可用下式来表示： r ( x ，) = 屯“d ( z ，f ) r ( x ，f ) 是在x 截面处，管土约束面上的剪切应力分布密度。“。( x ，t ) 是同一截面 处管土相对纵向位移，七。是剪切抗力系数。由此式可以知道，在弹性范围内， 随着相对纵向位移“。( x ，f ) 的增大，土壤剪切应力r ( x ，f ) 也正比例增长，如图2 - 5 中的斜线段。 土壤 一- 二二王二二j 二二二互二二 土壤位移方向_ _ 二二= _ 二；二= = _ = i ；= - = = 孓；出 一 芷芷 占! 土壤 图2 - 3 管土之间的弹性约束 2 3 2 弹性一塑性约束 对埋设管线纵向位移的初步研究已经证明，实际上只有位移不大的情况下， 才符合上式所代表的相互作用关系。也就是一直到r ( x ，f ) =