跨断层隔震管道管端与土体相互作用分析

断层错动是造成埋地管道破坏的重要因素之一,因此,跨断层埋地管道在断层错动下的破坏机制、模型设计与参数分析和管道抗断层措施一直是生命线工程的前沿问题。对跨断层管道内力分析取得的成果较多,比较经典的是Newm ark-Hall方法、Kennedy方法和王汝梁方法,后来又出现基于壳模型的有限元分析方法。现有的管道抗断层措施具有其优点的同时亦有其不足。本文基于壳模型的有限元动力数值模拟,对一种管道跨断层隔震措施进一步研究,考虑管端与土体相互作用计算隔震管段的断层错动响应。计算结果表明拉应变容易在土中的管段传递,相比较而言,压应变不容易在土中的管段传递;最大拉应变降低比较多,最大压应变降低比较少。根据分析结果,对跨断层隔震管段边界条件的选取提出建议。     

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。     

强震作用下跨断层管道柔性接口抗震加固研究

强烈地震引起的地面永久性大变形是导致埋地供水管线损坏的主要威胁之一。该研究借鉴链式结构的设计思想,基于传统承插式管道接口形式,研发了一种新型管道抗震接口,其可支持一定的轴向伸缩自由变形。当接口变形量达至极限状态时,接口发生自锁现象并能提供较高的抗拉承载力,进而带动相邻管道滑移,以抵消断层错动引起的变形量。针对新型抗震接口开展了轴向力学性能试验,并建立了跨断层下的管线数值模型;同时,数值结果与相关全尺寸试验进行对比验证。该研究以土体压实条件和断层穿越管道位置作为关键变量,研究了加固前后断层错动下承插式管道的力学响应。研究结果表明：提出的抗震接口能够有效地提高管道抵抗地面大变形能力,并且提高接口的轴向抗拉拔能力是提升管道抗断层错动能力的关键;对于松砂土跨断层下的承插式管道接口震损较为严重;断层穿越管道不同的位置会造成不同的接口变形规律;国内规范中管道接口的转角限值过于保守,不利于对跨断层承插式管道安全性能进行合理验算。     

穿越克孜尔逆冲断层的输气管道抗震分析

输气管道作为1种薄壁壳体结构,逆冲断层引起的管道压缩变形容易使其破坏。本文以大北南疆输气管道工程为例,探讨了穿越克孜尔逆冲断层的输气管道地震安全问题。在确定管道穿越处的断层倾角、设防断层位错量、表征管土相互作用的土弹簧参数以及钢管容许应变等参数后,采用壳有限元方法,分析了穿越克孜尔逆冲断层的输气管道变形反应。分析结果显示,管道在逆冲断层作用下以压缩应变为主,管道内的最大轴向压缩应变的幅值随着交角的减小而减小。在通过探槽等方法确定断层活动位置后,该管道若以小于或等于11°的交角通过克孜尔断裂,断层引起的最大轴向压缩应变和拉伸应变均在管道相应的容许应变范围内,满足相关规范的抗震要求。     

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。     

跨断层埋地钢管道抗震计算方法研究

本文提出了一个实用的跨断层埋地管道抗震计算分析方法。用算例分析证明了一些跨断层管道抗震建议措施的正确性。     

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。     

碳纤维增强复合材料加固后埋地压力钢管在逆断层作用下的力学性能研究

碳纤维增强复合材料（CFRP）被广泛应用于工程结构加固领域,以提高结构抵抗变形的能力。基于管道-土体相互作用三维非线性有限元分析方法,研究逆断层作用下埋地油气钢管经外包CFRP加固后的非线性响应规律和破坏模式。基于Hashin失效准则模拟CFRP受力破坏过程,与相关理论公式进行对比验证,并对加固前后逆断层错动连续埋地钢管力学响应进行分析。研究结果表明,CFRP加固钢管可显著提高其抵抗逆断层错动的能力,0°/90°为最佳缠绕角度;管道内压的施加虽抑制了管道轴向应变的增加,但当管道发生局部屈曲后,管道内压会导致管道屈曲集中于应力最大处;管道内压的施加不仅增强了CFRP加固钢管的抗变形能力,还抑制了CFRP加固钢管发生局部屈曲后应变的发展。     

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。     

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。     

基于振动台模型试验的高落差埋地管道地震响应研究

为研究高落差埋地管道的地震响应,进行了高落差埋地管道振动台模型试验和有限元数值模拟,探讨管道径厚比、管道倾角、地震波入射角、地震动峰值加速度和管道埋深对高落差埋地管道地震响应的影响规律.试验结果与数值模拟结果符合较好.研究结果表明,在入射角0°的地震波作用下,高落差埋地管道轴向应变峰值随着管道径厚比的增大而增大;在一定...     

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.     

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。     

Centrifuge modeling of buried continuous pipelines subjected to normal faulting

Seismic ground faulting is the greatest hazard for continuous buried pipelines.Over the years,researchers have attempted to understand pipeline behavior mostly via numerical modeling such as the finite element method.The lack of well-documented field case histories of pipeline failure from seismic ground faulting and the cost and complicated facilities needed for full-scale experimental simulation mean that a centrifuge-based method to determine the behavior of pipelines subjected to faulting is best to verify numerical approaches.This paper presents results from three centrifuge tests designed to investigate continuous buried steel pipeline behavior subjected to normal faulting.The experimental setup and procedure are described and the recorded axial and bending strains induced in a pipeline are presented and compared to those obtained via analytical methods.The influence of factors such as faulting offset,burial depth and pipe diameter on the axial and bending strains of pipes and on ground soil failure and pipeline deformation patterns are also investigated.Finally,the tensile rupture of a pipeline due to normal faulting is investigated.     

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。     

Stress analysis of buried steel pipelines at strike-slip fault crossings

Existing analytical methods for the stress analysis of buried steel pipelines at crossings with active strike-slip faults depend on a number of simplifications, which limit their applicability and may even lead to non-conservative results. The analytical methodology presented herein maintains the well-established assumptions of existing methodologies, but also introduces a number of refinements in order to achieve a more wide range of application without any major simplicity sacrifice. More specifically, it employs equations of equilibrium and compatibility of displacements to derive the axial force applied on the pipeline and adopts a combination of beam-on-elastic-foundation and elastic-beam theory to calculate the developing bending moment. Although indirectly, material and large-displacement non-linearities are also taken into account, while the actual distribution of stresses on the pipeline cross-section is considered for the calculation of the maximum design strain. The proposed methodology is evaluated against the results of a series of benchmark 3D non-linear analyses with the finite element method. It is shown that fairly accurate predictions of pipeline strains may be obtained for a wide range of crossing angles and fault movement magnitudes encountered in practice.     

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。     

场地沉陷埋地管道反应分析方法

场地的不均匀沉陷是导致埋地管线破坏的重要原因之一，至今，国内外对这一问题的研究甚少。本文提出了一个新的方法，用以分析受沉陷作用的埋地管道的反应，该方法选取跨越非沉陷区和沉陷区的埋地管道为研究对象，用三次曲线模拟沉陷区管道的几何大变形，推导出沉陷区段管道在几何大变形条件下的受力平衡方程的内力递推公式，用弹性地基梁模型模拟非沉陷区的管道变形，并用学陷区和非沉陷区交界面处的变形及力学协调条件给出了交界点     

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.