地震时海底悬跨管道动力特性试验研究

1、地震时海底悬跨管道动力特性试验研究摘要：铺设在地震活泼区域的海底管道可能在地震荷载作用下发生破坏。利用水下振动台研究了海底悬跨管线在地震作用下的动力反响。试验中考虑了地震波输入方向、管道端部支撑情况、悬跨高度、悬跨长度和管内是否有水等因素。完成了这些因素组合的120组试验，得到海底悬跨管道动力响应特性。试验结果说明水中管道与陆地悬空管道的动力反响存在明显差异；悬跨长度是控制管道反响的关键，程度地震输入对管道反响起控制作用，海底悬跨管道在地震作用下的反响与受波和流作用下的反响也存在差异。关键词：海底悬跨管道水下振动台模型试验地震反响铺设在海底面上的管线由于海底面上下不平，悬跨线的出现不可防止；海

2、流的长期冲刷、淘蚀也会在海底泥沙和管线之间形成孔洞。因此当水流横向流过管线时，就会出现涡流振动和波激振动从而导致管道疲劳破坏的可能性。渤海是地震活动区，根据评估该地区地面程度地震加速度在0.20.25g。地震时，由于悬跨管线海底支承处的地震位移和加速度及地震引起的动水压力，会对管线平安造成威胁。在渤海，地震与工作载荷组合成为管道强度控制条件1。相当多的文献阐述了埋设在海床面下的管道在地震荷载作用下的反响2-5。而最新的挪威船级社标准DNV1997有关悬跨管道部分也只规定了因波激振动和涡流振动导致管道疲劳破坏的设计方法和准那么6。笔者利用新近改造完成的TS水下振动台，考虑多种工况完成120组地震

3、荷载下海底悬跨管道模型试验。根据试验数据，分析了海底悬跨管道在地震时的反响特点，研究了影响管道动力反响的主要因素。1试验设备1.1水下振动台介绍大连理工大学海岸和近海工程国家重点试验室在从美国TS公司引进的一维程度单向大型电-液伺服控制地震模拟系统根底上，将原振动台改为程度与垂直两向激振的水下振动台。图1为水下振动台平面图。在水槽中间为振动台台面；沿振动台程度振动方向在水槽两边设置消能网，消除波浪的反射作用。水槽内最大水深1.0。1.2管道模型介绍模型材料采用PV管。模型外径D=100，壁厚tp=2.8，模型材料动弹性模量E=5000Pa，密度=1.72103kg/3。模型根据弹性相似律设计。

4、同时考虑到严格保持几何比尺会使模型管道截面尺寸太小，不利于传感器布置和保证测量精度，故截面采用刚度相似。实验根本比尺如下：几何比尺25.0；惯性半径比尺6.575；弹性模量比尺42.0；密度比尺1.0。其它比尺根据根本比尺和相似关系导出。水下振动台及海底悬跨管线模型见图2。为了保证原型和模型中液体质量密度的比值与模型和原型管道材料质量密度比值相等，要对模型管道进展配重。采用铅环对模型管道进展配重，配重图见图3。图1水下振动台平面图(单位：)图2水下振动台及海底悬跨管线模型图3配重图及加速度、应变传感器布置和编号(单位：)1.3量测设备和内容为理解管道的动力特性，试验过程中量测了管道应变和加速度

5、。加速度传感器和应变传感器布置及编号见图3。1.4台面输入地震波试验中动力输入为程度方向和垂直方向Elentr地震波。1.5试验工况影响海底管道动力反响的因素非常复杂。为了较全面的研究海底悬跨管道在动力荷载下的响应，为将来理论建模和数值模拟提供根据和验证样本，本试验考虑了6个方面影响因素(见表1)，分别组合不同影响因素的不同试验工况，共进展了120组试验。在每组试验中，均测量了管道各测点加速度时程和应变时程。以这些测试结果为根底，分析各种因素对海底悬跨管道动力反响的影响。表1模型试验考虑因素及工况编号影响因素试验工况1悬跨长度/2.8，2.4，2.02鼓励方向程度鼓励，垂直鼓励3支撑情况简支支

6、撑，固端支撑4悬空高度*/5.0，7.5，10.05管外状态管外有水，管外无水6管内状态管内有水，管内无水*悬空高度指管道跨中底部与海床面(振动台面)间隔 。转贴于论文联盟.ll.2模型试验结果分析试验过程中，分别考虑了悬跨长度的影响、动力输入方向的影响、管道支撑情况的影响、管道外部有水和无水的影响、管道内部有水和无水的影响、管道悬跨高度的影响。2.1陆地管道与水中管道结果比较2.1.1加速度的变化在程度输入地震波、跨长2.8、简支约束下，图4为陆地管道测点(测点号见图3)加速度时程，图5为水中管道管内无水情况下测点加速度时程。两种情况下地震输入一致，但除了一样测点反响幅值不同外，反响波形也不

7、一样。水中管道因为水的滤波作用，反响波形中高频分量被过滤。越靠近管道中部管道反响越大，管-水间互相作用也越大，滤波效果越明显。图4陆地管道各测点加速度时程图5水中管道各测点加速度时程2.1.2应变的变化图6为跨长2.8、简支约束、管内无水下陆地管道和水中管道最大应变(ax)沿管轴方向(x/L0,x为应变传感器位置，L0为管道总长度)的变化。程度鼓励下陆地悬空管道应变要小于水中悬空管道应变；而在垂直鼓励下陆地悬空管道应变要大于水中悬空管道应变。图6陆地管道和水中管道最大应变沿管轴方向的变化图7固端和简支约束管道最大应变沿管轴方向的变化陆地悬空管道在输入程度地震波鼓励作用下程度方向应变与在输入垂直

8、地震波鼓励作用下垂直方向应变根本相等。说明陆地悬空管道应变反响与地震波输入方向无关。水中悬空管道在程度地震波鼓励作用下程度方向应变要远大于在垂直地震波鼓励作用下垂直方向应变，相差将近8倍。说明水中悬空管道加速度反响与地震波输入方向有关。由于管道周围水体的存在，导致管道质量因动水附加质量而增加，管道所受地震力也随之增加，引起水中管道反响大于陆地管道反响。垂直方向动力输入时，因为管道下部受到台面(海床)的约束，垂直向流体运动受到制约，管道-流体互相作用减小，所以垂直向反响要小于程度反响。2.2支撑的影响图7为跨长2.8、管内有水情况下固端和简支约束管道最大应变(ax)沿管轴方向(x/L0)的变化。

9、从图中可以看出，对于简支支撑的管道，管道中间反响最大，然后向两端逐渐减小；对于固端支撑的管道，虽然也是管道中间反响最大，向两端逐渐减小，但间隔 端部1/4处到达最小，然后又逐渐增大。试验测试结果的分布趋势与梁在简支和固端约束下理论分析结果的趋势一样。无论是程度输入还是垂直输入，简支约束的应变反响大约是固端约束的应变反响的3倍。实际海底管道端部支撑介于固端与简支之间。如何合理确定管道端部约束情况对管道动力反响结果有很大影响。假设人为的每隔一段对管道施加一定的约束，可以很好的控制管道的反响。2.3悬空高度的影响图8为跨长2.8、简支约束、管内有水情况下管道上各测点(测点编号见图3)最大应变(ax)

10、随悬空高度(e/D,e为悬跨高度，D为管道直径)的变化。输入地震波，应变随悬高的增加而增加，与按照传统波浪理论分析结果不一致7。地震波与波浪相比，具有持时短、频率高、强度大的特点，短时间内使管道周围流体产生往复剧烈运动。从试验结果看，输入地震波时管-水间互相作用比较复杂，建立计算模型时应考虑多种影响因素。图8管道上各测点最大应变随悬跨高度的变化2.4悬跨长度的影响图9为简支约束、管内有水情况下管道最大应变(ax)随跨长(L0/D)的变化。管道应变随悬跨长度的增加而增加。管跨越长反响增加得越明显。与控制海底悬跨管道因波和流导致疲劳破坏一样，控制管跨长度是控制海底悬跨管道动力反响的决定因素。图9管

11、道最大应变随跨长的变化图10管道内有水和无水情况最大应变沿管轴方向的变化2.5管内有水和管内无水的比较图10为跨长2.8、简支约束情况下管道内有水和无水情况最大应变(ax)沿管轴方向(x/L0)的变化。管内无水时，管道的应变要小于管内有水时的应变。特别是在垂直波输入下，管内无水时的应变仅为管内有水应变的1/5。管道内有水时管道受到的地震力要大于管道内无水时的情况。因此，管道内有水时管道动力反响要大于管道内无水时的情况。转贴于论文联盟.ll.3结论海底悬跨管道在动力荷载作用下是一个管道-流体互相作用的复杂系统，其反响受到多种因素的影响。(1)程度输入地震波时海底悬跨管道的动力反响要小于陆地悬空管

12、道的反响，而垂直输入地震波时海底悬跨管道的动力反响要大于陆地悬空管道的反响。海底管道因为周围水的滤波作用，动力反响中高频分量被过滤。越靠近管道中部管-水间互相作用越大，滤波效果越明显。(2)一样幅值输入下，海底悬跨管道在程度地震输入时的动力反响要大于在垂直地震输入时的动力反响，程度地震输入对海底悬跨管道动力反响起控制作用。(3)实际海底悬跨管道端部的支撑情况介于固端和简支之间，更偏向于简支。简支支撑的管道反响要大于固端支撑管道的反响。(4)悬跨段越长管道反响越大，对管道的平安越不利。海底悬跨管道抗震设计主要是控制悬跨长度。(5)管内有水和管内无水时的动力反响存在差异。管内无水时(输气管道)，管

13、道的应变要小于管内有水时(输油管道)的应变。(6)悬跨高度对管道动力反响的影响非常复杂，在地震波作用下与按波浪理论得到的结果相反。因此，建立海底悬跨管道地震反响模型应仔细分析地震作用下管道周围流体的变化。参考文献：1王金英，赵冬岩.渤海海底管道工程的现状和问题J.中国海上油气(工程)，1992，4(1)：1-6.2ngK,ShanAH,DattaTK.ThreediensinaltinfburiedpipelineJ.J.Eng.eh.Div.ASE,1986,112:1319-1345.3HindyA,Nvak.PipelinerespnsetrandgrundtinJ.J.Eng.eh.Div.ASE,1980,106:339-360.4DattaTK,ashalyEA.PipelinerespnsetrandgrundtinbydisretedelJ.EarthquakeEngineeringandStruturalDynais,1986,14:559-572.5PellHG.SEisirespnseanalysisfabvegrundpipelinesJ.EarthquakeEngineeringandStruturalDynais,1978,6:157-165.6FyrilEIv,rkK,etal.Assessentff