横向非一致地震激励下埋地管道的动力响应分析

为研究埋地管道在地震激励时管-土相互作用的动力响应问题,研发双向层状剪切连续体模型土箱,建立管G土相互作用有限元分析模型,对横向非一致地震激励下埋地管道地震响应进行数值模拟分析,并与试验结果进行对比.结果表明:数值模拟和振动台试验结果中的管道应变峰值均呈现出沿管道中间大两端小的现象,管道中间应变峰值最小达到两端的1．6倍左右;管道加速度、 土体加速度峰值均随着加载等级的提高而增大,涨幅愈加明显,多峰频率由0~10Hz逐渐向10~ 20Hz频域扩散,管道运动更为自由;土体位移随着加载等级的提高呈现逐级增大的现象,在加载等级增加到0．4g 时位移曲线斜率减小,土体非线性表现明显.数值模拟和振动台试验对比分析的结论表明数值模拟分析的合理性和试验结果的可靠性,为研究横向非一致激励对埋地管道地震响应的影响提供了依据.     

跨越断层的钢制埋地管道响应数值模拟研究

以西气东输二线工程为背景,基于ABAQUS有限元软件建立了走滑逆断层条件下的管道-土体三维有限元模型,并通过软件模拟,分析了断层位移量、管道内压、管道径厚比和管道埋深等因素对管道应力和应变响应规律的影响。数值模拟结果表明：管道的最大轴向应变点并不在断层面上,而是在断层面的两侧;管道有无内压的破坏模式不同,内压越大,管道越容易遭受破坏;管道的径厚比越小,断层面两侧最大轴向应变点距离断层面的距离越远;浅埋能够减小断层作用下管道的最大轴向应变,在断层位移量较大时,宜选择浅埋。     

几何参数对隧道地震反应影响的二维数值分析

隧道结构地震破坏的原因众多,几何因素的影响不可忽视。基于有限差分方法,构建一系列数值计算模型,比较了不同埋深、直径、衬砌厚度和径厚比时隧道结构的地震响应特性,并采用相对变形比和内力放大系数定量分析了隧道的变形、内力分布和内力峰值与几何参数间的关系。计算结果表明:内力放大系数随着埋深的增加而减小,埋深大于20m,输入地震动幅值小于0.2g时,隧道拱顶底间相对位移峰值和相同位置处自由场相对位移峰值接近;衬砌厚度对动弯矩的影响较动轴力显著,增加衬砌厚度会显著的增大隧道的动弯矩峰值,但弯矩放大系数随着衬砌厚度的增加而减小;隧道的动内力峰值随着直径的增加而增大,而轴力放大系数则随着直径的增加而减小;径厚比显著影响衬砌结构的内力分布,当径厚比大于10时,隧道结构发生显著的内力偏转。     

多维多点相关地震动作用下埋地管线地震响应的数值模拟

为了研究考虑地震动的空间相关性时埋地管线的地震响应,基于Opensees有限元程序,对埋地管线在多维多点相关地震动作用下的响应进行数值模拟。模型中采用基于柔度法的非线性梁柱单元模拟管体结构,利用基于频域合成法生成多维多点人工地震动实现地震激励输入,采用零长度单元考虑管体和土体在其接触面上的非线性力学行为。数值模拟结果表明:0.2 g地震强度下,非一致激励下管道的应变响应主频是一致激励下管道应变响应主频的4~5倍;在0.1 g地震强度下,非一致激励得到的管体应变最大可以达到一致激励下管体应变的1.5倍,且随着地震强度增强两者的差距明显增大,这种差距可能使在一致激励下安全的埋地管线在考虑非一致激励时变得不安全。所以在抗震设防等级较高的地区,考虑非一致地震激励作用对于埋地管线的破坏是必要的。     

地震动参数对边坡地震响应的影响规律

选取了具有不同峰值加速度、频谱和持时的6组地震动加速度时程作为输入,基于有限元数值模拟方法建立了二维均质边坡有限元模型,模拟分析了不同地震动作用下边坡模型的加速度和位移响应,揭示了地震动峰值加速度、频谱和持时对土坡地震响应的影响作用及其规律.研究结果显示:地震动峰值加速度、频谱和持时对土坡地震响应均有显著的影响,其中,边坡坡脚处和坡肩处的变形位移随地震动峰值加速度、特征周期和持时的增大而增大,坡体临空面各点的峰值加速度放大系数呈现随输入地震动特征周期的增大而增大、随输入地震动峰值加速度的增大而减小的规律.研究结果可为地震作用下边坡稳定性设计及防治研究提供参考.      

地震动多点差异输入对架空管道地震响应影响研究

架空管道由于地震波传递、地震动衰减以及场地不均匀产生各支撑点地震动差异,为了研究这种差异对架空管道地震响应的影响,通过有限元软件ADINA建立架空管道有限元模型,利用MATLAB软件编写具有相干效应的人工地震波,计算分析了多点地震动相干函数法输入、行波输入与一致输入下地震响应。结果表明:①随着视波速的增加管道轴向应变变小,有接近一致激励情况的趋势;②同一相干函数模型,考虑和忽略场地效应,管道轴向应变最大值存在差异;不同相干函数模型,管道轴向应变最大值也存在差异。结论认为,如果场地比较均匀且管段较短,可采用行波法进行地震输入;长柔管道应采用相干法进行地震响应分析,场地不均匀的长柔管道,应同时考虑场地效应。     

层状围岩隧道交叉结构地震方向敏感性分析

依托某层状围岩深埋铁路隧道工程,以主线单线隧道与横通道正交结构为研究对象,通过ABAQUS建立有限元分析模型.选取12条地震波数据,模拟基岩SV波地震作用,调整地震动峰值加速度和地震动入射方向,对研究结构随地震动输入方向的敏感性进行分析.研究分析得到:二次衬砌在地震入射角度为30°～45°时对地震动方向变化敏感性较低,...     

近断层沉积盆地强地震动谱元模拟

近断层强地震动特性与远场地震动特性具有显著差别。关于近断层沉积盆地地震响应规律,目前尚未厘清。为此利用基于有限断层假定的动力学震源模型,采用谱元法,详细研究了不同沉积内外介质波速比、走滑断层倾角下近断层沉积盆地地表的地震动时程和峰值变化规律。计算结果表明:近断层沉积盆地对地震动幅值具有显著的放大作用,在盆地内部,地震动持时明显延长以及空间分布更为复杂,同时出现多次长周期速度脉冲。断层倾角变化对地震动有着显著影响,在30°~90°范围内,整体上看:随倾角增大,盆地内部峰值加速度和峰值速度逐渐减小,而位移峰值受倾角的影响相对要小。另外,随近断层沉积盆地内部介质波速降低,盆地内部地表的地震加速度和速度会明显增大。     

西安地裂缝场地动力响应规律及影响因素分析

在地裂缝密集分布的西安地区,建筑"傍缝而建"的现象非常普遍,地裂缝的存在严重制约了城市建设用地的有效利用和规划。为研究地裂缝对场地动力响应的影响,分析地震动作用下地裂缝场地动力响应规律及其影响范围,以西安地裂缝为研究对象,基于室内振动台试验及FLAC~(3D)数值模拟,分析地裂缝场地动力响应中的加速度幅值动力响应特征。在此基础上,进一步分析不同地震波类型、地裂缝破裂面倾角、地震动强度、地裂缝两侧土层错距对地裂缝场地动力响应的影响。研究表明:地裂缝对场地动力响应影响明显,表现为地裂缝一定范围内峰值加速度呈"带状"分布,即地裂缝处峰值加速度最大,随着距地裂缝越来越远,峰值加速度逐渐减小后趋于稳定,带状分布范围上盘约30 m,下盘约20 m;地裂缝场地动力响应表现出明显的"上盘效应",即上盘峰值加速度略大于下盘;地震动强度对地裂缝场地动力响应影响明显,地裂缝倾角、地裂缝两侧土层错距、地震波对地裂缝场地动力响应均无明显影响     

穿越走滑断层海底管道局部屈曲研究及应变响应预测

海洋地震频繁且海底土体环境复杂,当地震导致断层土体发生永久变形后,穿越断层的海底埋地管道也将受迫发生变形。为确定变形后的管道能否正常工作,需根据实际工况对其进行应变响应预测。首先通过有限元计算软件ABAQUS建立管道与走滑断层的三维实体模型,模拟管-土间的接触作用并通过等效边界方法修正模型,得到管道局部屈曲破坏形式及应变分布情况。然后,通过调整有限元模型参数对断层交角、管道工作内压、管道径厚比对管道极限塑性应变的影响进行敏感性分析,定性分析不同敏感性因素对穿越走滑断层海底管道应变响应的影响。最后,在数值模拟数据的基础上通过MATLAB软件利用基于遗传算法优化的BP神经网络实现对管道应变响应的精确预测。结果表明:穿越走滑断层管道在发生局部屈曲时,可根据轴向压缩应变突变现象确定管道局部屈曲时对应的断层位移,并且断层交角、管道工作内压和管道径厚比都会对跨断层管道应变响应产生影响。     

跨越断层埋地管线地震反应数值分析

跨越断层埋地管线在地震中的破坏是非常严重的,地震本身和管土相互作用体系中都存在很多不确定性因素,所以管线在断层运动过程中反应比较复杂。本文利用有限元理论和数值模拟手段,建立了管土作用模型,采用非线性接触问题研究方法详细地分析了管线由断层运动而产生的反应,对影响管线的各种因素进行了分析,包括位错量、跨越角度、断层运动形式、埋设深度、初始轴向力、断层裂缝宽度、填覆土质和管径。通过研究,得到一些初步结论。     

Seismic wave propagation effects on buried segmented pipelines

This paper deals with seismic wave propagation effects on buried segmented pipelines. A finite element model is developed for estimating the axial pipe strain and relative joint displacement of segmented pipelines. The model accounts for the effects of peak ground strain, shear transfer between soil and pipeline, axial stiffness of the pipeline, joint characteristics of the pipeline, and variability of the joint capacity and stiffness. For engineering applications, simplified analytical equations are developed for estimating the maximum pipe strain and relative joint displacement. The finite element and analytical solutions show that the segmented pipeline is relatively flexible with respect to ground deformation induced by seismic waves and deforms together with the ground. The ground strain within each pipe segmental length is shared by the joint displacement and pipe barrel strain. When the maximum ground strain is higher than 0.001, the pipe barrel strain is relatively small and can be ignored. The relative joint displacement of the segmented pipeline is mainly affected by the variability of the joint pullout capacity and accumulates at locally weak joints.     

Analysis of continuous buried pipelines for seismic wave effects

An analysis procedure for seismic wave propagation effects on straight continuous buried pipelines is proposed. It shown that ground strain due to surface waves can be substantially larger than that due to body waves. An elastic model a buried pipeline surrounded by equivalent soil springs indicates that frictional slip between the pipeline and the surrounding soil springs is likely for high ground strains. A method for estimating ground strain due to surface waves, based on data from the 1971 San Fernando earthquake, reviewed. An analysis procedure, which utilizes frictional forces near the soil-pipeline interface, is proposed for surfae wave effects on straight buried continuous pipelines. The proposed procedure is illustrated with an example.     

Intensity measures for the assessment of the seismic response of buried steel pipelines

To estimate the demand of structures, investigating the correlation between engineering demand parameters and intensity measures (IMs) is of prime importance in performance-based earthquake engineering. In the present paper, the efficiency and sufficiency of some IMs for evaluating the seismic response of buried steel pipelines are investigated. Six buried pipe models with different diameter to thickness and burial depth to diameter ratios, and different soil properties are subjected to an ensemble of 30 far-field earthquake ground motion records. The records are scaled to several intensity levels and a number of incremental dynamic analyses are performed. The approach used in the analyses is finite element modeling. Pipes are modeled using shell elements while equivalent springs and dashpots are used for modeling the soil. Several ground motion intensity measures are used to investigate their efficiency and sufficiency in assessing the seismic demand and capacity of the buried steel pipelines in terms of engineering demand parameter measured by the peak axial compressive strain at the critical section of the pipe. Using the regression analysis, efficient and sufficient IMs are proposed for two groups of buried pipelines separately. The first one is a group of pipes buried in soils with low stiffness and the second one is those buried in soils with higher stiffness. It is concluded that for the first group of pipes, \(\sqrt {{\text{VSI}}[\upomega_{1} ({\text{PGD}} + {\text{RMS}}_{\text{d}} )]}\) followed by root mean square of displacement (RMS_d) are the optimal IMs based on both efficiency and sufficiency; and for the second group, the only optimal IM is PGD²/RMS_d.     

穿越逆冲断层的埋地管道非线性反应分析

穿越逆冲断层的埋地管道在地震作用下,容易发生局部屈曲或整体失稳等形式的破坏,研究逆冲断层作用下的埋地管道地震反应规律,对管道抗震设计及施工等具有重要的意义。本文将埋地管线及周围土体从半无限地球介质中取出,分别以空间薄壳单元和实体单元进行离散,采用非线性接触力学方法模拟管、土之间的滑移、分离及闭合现象;采用线性位移加载模拟断层的错动,考虑了系统初始应力状态的影响,对土体未开裂前的管土相互作用系统进行了拟静力数值分析;分析了位错量、土体刚度、埋设深度、径厚比及跨越角度对埋地管道反应的影响,得出了一些有益的结论。     

Uplift response of buried pipelines in saturated sand deposit under earthquake loading

Pipelines buried in saturated sand deposits, during earthquake loading could damage from resulting uplift due to excess pore water pressure generation. Several studies have been made to better understand the uplift mechanism and evaluate the effectiveness of mitigating techniques through experiment, but little numerical works have been done to assess the influence of soil properties and field conditions in pipeline floatation. Especially for previously buried pipelines, in order to set the priority for seismic retrofit, evaluating the risk of floatation in each region could be a concern. In this paper, effects of several parameters including dilatancy angle and density ratio of natural soil, diameter and burial depth of pipe, underground water table and thickness of the saturated soil layer on uplift of pipe have been investigated. Results show the prominent role of burial depth in pipe response and that there exits an optimum level for drop of water table to reduce floatation.     

反应位移法在埋地腐蚀管线抗震分析中的应用

埋地管线作为油、气、水等的传输载体,是地下工程的重要设施之一。埋地管线特别是金属管线容易发生腐蚀现象,在地震灾害的影响下,含有腐蚀缺陷的管线容易发生泄漏和断裂事故,造成巨大的资源浪费和环境污染等损失。因此埋地腐蚀管线抗震性能研究的重要性也越发凸显。本文以埋地腐蚀管线为研究对象,探索管线腐蚀深度、宽度、腐蚀位置和腐蚀管线埋深等腐蚀参数对管线抗震性能的影响,旨在为管线的安全性和实用性提供理论参考,对管线是否继续使用、维护或更换和安全生产提供指导,以及为管线的抗震设计提供基础研究。本文运用反应位移法在有限元软件ANSYS上实现各参数下的埋地腐蚀管线的地震响应分析。