受沉陷作用埋地管道破坏判别方法

大地地震震害经验表明，场地的不均匀沉陷是导致埋地管线破坏地重要原因之一。提出一个适用的管道破坏判别方法十分重要本文提出了一个新的方法，用以分析受沉的埋地管道的反应，该方法发迹了沉陷区和非沉陷区都用弹性地基梁的分析途径，在沉陷区考虑了管道几何大变形，克服了现有方法公适用于无限远处发生最大沉陷的缺陷，适用于任何沉陷参数的情况。     

场地沉陷作用下埋地管道屈曲反应分析

土体沉陷是引起埋地管道破坏的重要原因之一,它会引起穿越该沉陷区域的大口径地下管道屈曲失稳,使管道在没有达到拉伸或剪切强度前便退出工作.将管道与周围土体从半无限土体介质中共同取出,建立沉陷作用下的管土相互作用模型.管道以薄壳单元模拟,土体采用实体单元进行离散,采用特征值屈曲分析方法对沉陷区域埋地管道的屈曲稳定性进行了分析,给出了管道发生屈曲时的屈曲模态及对应的沉降量.研究沉陷区长度、管道埋深、管径、壁厚及场地条件等对管道屈曲反应的影响.在文中所用模型与假设条件下发现地下管线埋深较浅时更易发生屈曲失稳,管道径厚比越大管道越易发生屈曲,场地土体越硬管道越易发生屈曲失稳等结论.     

采用等效弹簧边界分析埋地管线在沉陷情况下的反应

场地的不均匀沉陷是导致埋地管线破坏重要原因之一.到目前为止,国内外对沉陷区埋地管线的反应分析甚少.为了真实地分析管线在沉陷情况下的反应,通过引入一个非线性弹簧,作为分析埋地管线在沉陷情况下反应的边界条件,以代替远处直线段管线的变形,将管线模拟成四节点薄壳单元,土介质简化为弹塑性弹簧,采用线性位移加载来模拟土体的沉陷作用,对有限元模型进行计算分析.通过实例计算,得出了管线的控制力,找出了管线的控制截面,为沉陷区埋地管线的设计提供一定的理论依据.     

跨断层水泥管试验的有限元分析

在考虑管道的材料非线性和几何非线性、管土相互作用的非线性和管道接口非线性的基础上,建立了由管体梁单元、三向土弹簧单元和接口单元组成的埋地非连续管道在断层位移作用下的有限元模型,并以美国密歇根大学Junhee等(2010)所做的跨断层水泥管试验为原型进行了模拟分析。有限元结果给出的水泥管最终变形、接口转角、接口位移与实验结果基本一致,表明本文提出的跨断层埋地非连续管道抗震计算的有限元分析方法具有一定的合理性。有限元结果和试验结果都表明,在逆冲断层作用下,水泥管的破坏主要是因为在管道接口处的轴向压力和弯矩的耦合作用,在断层附近的管道接口承受了较大的转动和压缩位移。本文所提出的分析方法可推广到埋地非连续管道在其它永久地面变形作用下的有限元分析。     

液化场地下埋地管道上浮反应影响因素分析

液化场地下埋地管道上浮反应是管道破坏的主要原因,避免因上浮造成的管道破坏,是城市地下生命线工程建设中急需解决的问题。利用ADINA有限元分析软件,建立了液化场地下埋地管道上浮反应的管土接触-土弹簧分析模型。考虑了非液化区的管土接触作用和液化土的非线性约束作用,对埋地管道的上浮位移及轴向应力进行了分析,探讨了管道自身以及液化土的一些参数对埋地管道上浮反应的影响。结果表明:管径、液化土密度,液化区长度越大,埋深、壁厚越小,管道的变形越大,破坏越严重,并给出了几点工程建议。     

考虑土结相互作用的逆断层作用下埋地管道性能离心机试验

埋地管道地震作用下的破坏因素源于地震引起的永久地面变形(PGD),其中管道-土体间相互作用决定土体位移作用到管体的大小。利用离心机试验技术模拟埋地管道在逆断层大位移下的反应特性,重点讨论断层与管道的交角、断层位移大小、管土相互作用、管径和埋深五个参数对管道破坏的影响水平。实验结果表明:上述参数对管道断层作用的反应均有明显影响,其中断层的位移量、管土相互作用、埋深和管径的影响更为显著。本文的研究结果对于管道经过断层区的抗震设计有十分重要的意义。     

地震断层作用下的埋地管道等效分析模型

地震作用下,活动断层附近的埋地管道易发生强度屈服、局部屈曲或整体失稳等形式的破坏,建立准确、高效的埋地管道在断层作用下的计算模型,对管道的抗震设计和震后安全状态评估具有重要的实用价值。本文采用非线性弹簧模拟远离断层处埋地管道的反应,基于管土之间小变形段管道处于强化阶段,提出一种改进的管土等效分析模型,进一步减小了管土之间大变形段的分析长度,从而提高了有限元分析效率。该模型采用ALA推荐的方法计算管土间的滑动摩擦力,可以考虑土体种类的影响;用Kennedy方法确定管道的计算长度。通过与精确模型比较,验证了管土等效模型的合理性和有效性。     

跨越断层埋地管道屈曲分析

考虑埋地管道与土介质的相互作用，分析了管道作为薄壳结构的断层位错反应。管道模型化为四结点薄壳单元结构，土介质简化为弹塑性弹簧，建立了管土相互作用的有限元分析模型。计算中，考虑了管道与土介质的材料非线性，管道几何参数，断层类型及破碎带宽，断层滑移角，埋深，内压，温度应力等因素的影响，根据计算结果描绘出管道控制点位移，应力及应变时空分布曲线；比较不同参数下管道的反应特征，总结管道反应的变化规律。最终得到结论：在大位移断层运动作用下，埋地管道反应存在明显的非线性效应，断层类型，管道埋深等因素不能忽略。     

沉陷区域埋地管线数值模拟分析

场地的不均匀沉陷是导致埋地管线破坏的重要原因之一。本文考虑了材料非线性、几何非线性以及管土接触非线性,将管线计算分析模型模拟为四节点薄壳单元结构,周围填覆土体采用八节点六面体单元划分。管土相互作用模拟为三维刚性与柔性的面面接触单元结构,并采用线性位移加载来模拟土体的沉陷作用,对三维薄壳有限元模型进行数值计算分析。通过比较不同参数,如沉陷长度、沉陷深度、埋深、管径、径厚比、土特性等对管线的反应影响,得出管线在沉陷情况下的应力和应变的关系,通过算例分析,说明了该方法能更好地模拟管线的破坏过程,该方法将为沉陷区域埋地管线数值模拟提供理论分析依据。     

埋地管道在地震波作用下的变形分析

埋地管道是一种特殊的地下结构,因其埋于地下,延伸很远,抗震问题较为复杂。地震时由于管道周围土体移动而引起的管道位移使管道产生破坏,影响了人们的生产生活,造成了严重的经济损失。为了使埋地管道抗震设计更为合理,从而减小不必要的经济损失,针对地震波作用下埋地管道的不同变形,研究了各项工程参数对埋地管道变形的影响。不同地震烈度下管道的位移标准值不同,对于钢管和PE管6度时为15mm6度时为45mm,8度时为90mm,9度时为120mm;对于铸铁管,6度时为13mm,7度时为40mm,8度时为80mm,9度时为110mm,为埋地管道的布置提供了参考依据,使管道布置更加合理。     

跨断层隔震管道分析

埋地管道在断层错动作用下的内力分析及其抗震措施一直是生命线工程的一个重要问题与研究热点。对地下管道在断层错位下的响应计算,取得的成果较多,比较经典的有Newmark-Hall方法和Kennedy方法。后来又出现基于壳模型的简化方法,如高田至郎提出的简化计算方法等。相对来讲,关于管道抗震措施的研究成果较少。本文提出一种抗震措施,进行了基于壳模型的有限元动力数值模拟,并与4种松到中密场地土条件下的埋地管道断层错位响应进行对比分析。计算结果表明,本方法中三种长度管道的最大轴向拉应变远小于埋地管道的最大轴向拉应变,而且最大轴向压应变亦不大。     

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。     

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。     

Shaking table tests modelling small diameter pipes crossing a vertical fault

Local gas pipelines provide a valuable resource to urban areas and are often forced to cover unfavourable ground conditions in order to form a serviceable network. This can force pipelines through soil, which is subjected to permanent ground displacements due to faulting and strong vibrations due to earthquakes. Due to the inseparability of faulting from earthquakes it is pertinent to examine the combined effect of dynamic vibration and shear deformation of the surrounding soil on buried pipelines and a better understanding of the factors affecting pipe response to these inputs will enable more intelligent design of future pipe networks with the intention of reducing damage inflicted on pipes in extreme events. To advance understanding of this topic, a series of model experiments were performed under 1 g conditions on instrumented 20 mm diameter acrylic prototype pipes buried in dry Toyoura sand as well as a tyre derived aggregate (TDA) backfill trench surrounded by Toyoura sand crossing a vertical fault. The apparatus setup allowed faulting and dynamic input to be applied simultaneously to the model, which revealed that the simultaneous loading reduces the bending of a pipe and that installation of a pipe in a tyre derived aggregate backfill reduces the bending moment experienced by the pipe by up to 74% for small fault displacement and low levels of acceleration.     

地下管道工程震害分析

地下管道工程的震害及功能失效对正常社会生产及生活有很大影响,地下管道工程抗震研究一直受到人们的高度重视。本文基于近10年来中国大陆发生的几次地震中收集到的地下管道工程震害资料,对各种管道震害现象进行了分析,总结了目前我国地下管道工程的震害特点,同时,对近年来我国几个典型城市地下管道工程震害预测结果进行了分析,得到了几点有益的启示。我国部分城镇地下管道的抗震能力不足,应采取有力措施予以增强。     

埋地管线有限元建模方法研究

本文回顾了埋地管线抗震分析的研究工作，阐明研究埋地管线建模方法的重要性，结合几种埋地管线有限元建模方法，逐一论述各自的特点及适用条件。在上述工作的基础上，提出了可用于分析管线节点壳型屈曲及模拟管线面内应力应变发展直至屈服破坏过程的管土相互作用分析模型。     

Pipe–soil interaction and pipeline performance under strike–slip fault movements

The performance of pipelines subjected to permanent strike–slip fault movement is investigated by combining detailed numerical simulations and closed-form solutions. First a closed-form solution for the force–displacement relationship of a buried pipeline subjected to tension is presented for pipelines of finite and infinite lengths. Subsequently the solution is used in the form of nonlinear springs at the two ends of the pipeline in a refined finite element model, allowing an efficient nonlinear analysis of the pipe–soil system at large strike–slip fault movements. The analysis accounts for large strains, inelastic material behavior of the pipeline and the surrounding soil, as well as contact and friction conditions on the soil–pipe interface. The numerical models consider infinite and finite length of the pipeline corresponding to various angles β between the pipeline axis and the normal to the fault plane. Using the proposed closed-form nonlinear force–displacement relationship for buried pipelines of finite and infinite length, axial strains are in excellent agreement with results obtained from detailed finite element models that employ beam elements and distributed springs along the pipeline length. Appropriate performance criteria of the steel pipeline are adopted and monitored throughout the analysis. It is shown that the end conditions of the pipeline have a significant influence on pipeline performance. For a strike–slip fault normal to the pipeline axis, local buckling occurs at relatively small fault displacements. As the angle between the fault normal and the pipeline axis increases, local buckling can be avoided due to longitudinal stretching, but the pipeline may fail due to excessive axial tensile strains or cross sectional flattening. Finally a simplified analytical model introduced elsewhere, is enhanced to account for end effects and illustrates the formation of local buckling for relative small values of crossing angle.     

A refined seismic analysis and design of buried pipeline for fault movement

Some lifelines, such as gas and oil transmission lines and water and sewer pipelines, have been damaged in recent earthquakes. The damages of these lifelines may cause major, catastrophic disruption of essential services for human needs. Large abrupt differential ground movements that result from an active fault present one of the most severe effects of an earthquake on a buried pipeline system. Although simplified analysis procedures for buried pipelines across strike-slip fault zones that cause tensile failure of the pipeline have been proposed, the results are not accurate enough because of several assumptions involved, such as the omission of flexural rigidity of the pipe, simplification of soil resistant characteristics, etc. Note that the omission of flexural rigidity cannot satisfy equilibrium conditions for pipelines across a ‘reverse’ strike-slip fault that causes compressions in the pipeline. This paper presents a refined analysis procedure for buried pipelines that is applicable to both strike-slip and reverse strikeslip faults after modifying some of the assumptions used previously. Based on the analytical results, this paper also discusses the design criteria for buried pipelines which are subjected to various fault movements. Parametric responses of buried pipeline for various fault movements, angles of crossing, buried depths and pipe diameters are presented.