场地土对跨断层压力管道变形反应的影响研究

发布时间：2020-08-13 12:05

【摘要】：输油气、供水、供热等压力管道是关系国计民生的重要生命线工程。本论文主要针对场地土对断层位错作用下输油气钢管变形反应的影响开展研究。在已有研究的基础上,完善了埋地压力管道在断层作用下的壳有限元模型,探讨了不同场地土和管沟回填土对压力管道应变的影响。同时,针对长距离输油气管道穿越地震活动断层所遇到的实际工程问题,从以下几个方面开展了研究工作:(1)相对于非线性接触模型,土弹簧模型由于计算方法简单、物理机制明确,在分析埋地管道变形反应的有限元模型中被广泛用来分析管-土相互作用。除了管径和管道埋设深度,影响管-土相互作用的主要场地土参数包括密度(ρ_s)、粘聚力(c)、内摩擦角(Φ)、管-土之间的摩擦系数(μ),这4个土体参数并非完全独立,具有较强的相关性,建议以实测数据为准。不同场地土参数的有限元分析结果表明,在断层作用下,硬粘土场地管道的变形反应远大于软粘土场地,在此,应该采取宽管沟、回填疏松砂土的抗震措施。(2)为了考虑管沟及其回填土的影响,改进了现行抗震规范推荐的横向土弹簧模型。采用浅埋管道周围土体破坏的理论模式,阐明了回填松砂可以作为管道通过活动断层抗震措施的原因。同时,通过实际算例表明,随着回填松砂的逐渐密实,这种抗震措施会逐渐失效,管道的变形反应逐渐接近于没有采取抗震措施的管道变形反应。这也说明了现行抗震规范在进行管道抗震验算时,横向土弹簧的计算以管道埋设的场地土参数输入,而不是以疏松砂土参数输入的原因。(3)研究了管沟宽度对跨断层管道变形反应的影响。研究结果认为:工程建设管沟时,为了节约工程土方开挖量和购买松砂的回填量,在保证浅埋的要求下管沟底部的加宽裕量(K)可不做特殊处理(按照规范取0.6米),管沟坡度(A)是影响管道应变反应的主要因素,其值应小于tan(45°-Φ/2),同时管沟的地表宽度应大于断层的水平横向错动量。(4)完善了压力管道在断层作用下的壳有限元模型。通过压力管道的有限元模型进行参数分析,认为内压对管道轴向压缩应变的影响比拉伸应变大。也就是说,管道在断层位错作用下的应变反应以拉伸应变为主时,可以忽略内压的影响。这与Newmark等学者以及2008年以前的抗震规范的观点是一致的。但是管道的应变反应以压缩应变为主时,内压的影响不能忽略。相同的断层位错作用下,随着内压的增大,管道的压缩应变增大。通过对比现行各国规范对管道容许压缩应变的计算公式,当对跨断层的管道采用应变设计时,管道的容许压缩应变随着内压的增大而增大。
【学位授予单位】：中国地震局地球物理研究所
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH49
【图文】：

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图 1.1 管道壳有限元模型.2.2 非线性管材本构关系的确定钢质管道由于强度高、对各种地形和地质条件适应性强，被广泛应用于气、供水以及油气长输管道等重要生命线工程。管体在大位移作用下，进非线性状态，只在线性状态下进行管道的分析很难反映管道的真实状态。线性是指材料的本构关系为非线性，即材料的应力-应变关系为非线性，比材料的三折线模型或 Ramberg-Osgood 模型。解决材料的非线性问题主要是通过选取非线性本构模型，如《油气输送路工程抗震技术规范》附录 D 中提供了各型号钢材的应力-应变的三折线型；输油气管道常用的钢材本构关系如图 1.2 和表 1.2 所示。图 1.2 表示了钢特性的三折线模型。ε1、σ1分别为管道应力-应变简化折线中弹塑性变形起应变和应力；ε2、σ2分别为管道应力-应变简化折线中弹塑性区与塑性区交

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由于强度高、对各种地形和地质条件适应性强，被广及油气长输管道等重要生命线工程。管体在大位移作，只在线性状态下进行管道的分析很难反映管道的真料的本构关系为非线性，即材料的应力-应变关系为线模型或 Ramberg-Osgood 模型。的非线性问题主要是通过选取非线性本构模型，如《技术规范》附录 D 中提供了各型号钢材的应力-应变道常用的钢材本构关系如图 1.2 和表 1.2 所示。图 1.线模型。ε1、σ1分别为管道应力-应变简化折线中弹塑；ε2、σ2分别为管道应力-应变简化折线中弹塑性区与；E1、E2分别为管道应力-应变简化折线中弹性区和弹道应力-应变简化折线中弹塑性段延长线与应力轴相

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图 2.1 土弹簧模型示意图位移可能会很大，所以需要要考虑这些土弹簧的非线发生相对较大变形时，土体进入复杂的非线性状态，。参考《油气输送管道线路工程抗震技术规范》（GB和模型见图 2.3，下面将详细介绍三向土弹簧参数的CE 的生命线工程技术规程协会（Technical Cougineering）通过大量的实验结果给出了水平方向、管的力随土体位移变化的曲线，将试验所得的曲线理想范和我国《油气输送管道线路工程抗震技术规范》给示。输油气管道，在分析管-土相互作用时，土体可以系采用理想弹塑性曲线。

【参考文献】