管土相互作用下埋地管道的抗震性能研究

管土相互作用是影响埋地管道抗震性能的关键因素之一，分析管土相互作用是城市地下管道建设中面临的突出问题。在应用ADINA软件实现地下管道与土体融合有限元建模的基础上，通过定义管土接触来设定管土相互作用；介绍了管土接触设定、地震荷载加载时间函数、模型参数选择与求解步骤，并依据所建模型计算了埋地管道的变形和应力分布。根据计算结果，分析了管土相互作用对埋地管道抗震性能的影响，并给出了几点工程建议。     

地震作用下储罐与管道连接波纹管的动力响应

针对储罐与管道连接这个抗震薄弱环节进行研究，考虑了储罐与地基、管道与地基的相互弹性作用及流固耦合作用，使计算模型比较符合工程实际情况。将储罐罐壁看作为刚体，将波纹管部分和管道部分分别用旋转锥壳单元和空间梁单元离散化，通过分析得到波纹管与储罐连接接合面、波纹管与管道连接接合面不同单元之间的位移协调约束方程，并用罚函数法进行处理。根据流体力学速度势理论和有限元法的基本理论，利用哈密尔顿变分原理推导出储罐与管道连接波纹管系统动力分析方程，编制了系统动力分析有限元程序，计算了垂直地震激励不同场地土地基条件下储罐与管道连接波纹管位移响应。     

P波作用下埋地管道的相互作用动力分析

建立了波动理论计算公式,给出了地下管道在平面P 波作用下动力响应问题的解析近似解答.对地下多管道体系的动力相互作用进行了分析.结果表明:当埋地管道之间的距离较近时,管道之间的波往复反射作用增强,相互作用明显,动应力集中具有显著的放大效应;随着管道中心距离的增加,动应力集中峰值振荡逐渐平稳;当中心距达到约100倍的管道内径时,相互作用消失,结果退化为单个管道的结果.     

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;在一定管道倾角范围内,管道轴向应变峰值随着管道倾角α的增大而增大;当地震波入射角度从0°变化到60°时,管道上下表面的轴向应变减小,侧面的轴向应变增大;管道应变随着地震动峰值加速度和管道埋深的增加而增大;相同地震作用下,管道最大轴向应变出现在下弯管1/3处附近。     

跨断层埋地管道抗震试验

首次进行了跨断层理地管道抗震试验,取得了一些有益的结论．     

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。     

输液管道动力分析

考虑地下管道管土及管液之间的相互作用，研究了管道在沿轴线方向传递的剪切波和压缩波波动作用下的动力响应，得出了有关土壤剪切模量、和径及流速对其动力响应影响的初步结论；对于地上输液管道，考虑管液之间的相互作用，研究了其动特性和在端点输入的地震动作用下的动力响应，得出了管内液体流动对系统固有频率及动力响应影响的这初步结论：指出地下与地上管道震害原因的区别；采用有限元方法求解了运动方程。     

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。     

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.     

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。     

A review of the response of buried pipelines under seismic excitations

Modern cities depend heavily on utility systems for their day-to-day operation and earthquake threats to utility systems become increasingly important in proportion with the level of urbanization. Due to the great potential for destruction, damage and disruption, the seismic problems of utility systems have recently attracted researchers. It became apparent that the seismic behaviour of buried pipeline systems is quite different than that of above-ground structures. In this paper, an updated and detailed review of the earthquake response and seismic-resistant design of underground piping systems is presented.     

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.     

不均匀场地土液化引起的地下管道上浮反应研究

本文采用非线性增量有限元迭代法,对不均匀场地土液化引起的地下管道的上浮反应进行了研究,考虑了液化土3种不均匀的情况,给出了一些计算结果。     

场地土液化引起的地下管道上浮反应研究

本文利用虚功原理,建立了场地土液化引起的地下管道的上浮反应分析模型,用弹性地基梁来模拟地下管道,并考虑了土的非线性约束作用、管道的初始变形、液化区长度、管道的初始轴力等的影响。采用非线性增量有限元法,对场地土液化引起的地下管道的上浮反应进行了研究,给出了部分计算结果。     

地震作用下可液化场地管道上浮动力响应及影响因素分析

地震作用下土体发生液化之后,由于超静孔隙水压力的产生和土体抗剪强度的降低,管道易发生上浮破坏。为研究管道上浮动力反应的影响因素,基于OpenSees有限元软件,通过目标反应谱和谱匹配等方法选取地震波,考虑不同管土特性和地震动特性,对地震作用下管道上浮动力反应进行了二维数值模拟。结果表明:土体相对密度、管径和管道埋深对管道上浮反应的影响较大,分别给出了土体相对密度、管径、管道埋深对管道上浮位移的影响规律及对应拟合公式;长持时地震动作用下,超静孔隙水压力消散较慢,管道上浮位移可达短持时地震动作用下管道上浮位移的2倍左右;近断层脉冲地震动作用下,管道上浮破坏和横向破坏两种破坏模式同时存在,且由于速度脉冲效应,管道横向破坏风险大于上浮破坏风险。     

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.     

Effects of seismic wave propagation upon buried pipelines

The behaviour of long straight buried pipelines subjected to seismic wave propagation is investigated. Well-known relationships for determining upper bounds for the axial strain and curvature in the pipeline as well as relationships for relative displacement and rotation at the pipeline joints are discussed. The assumption that the seismic excitation can be modelled as a travelling wave having a shape which remains unchanged as it traverses the pipeline is examined in detail. It is shown that this assumption is unconservative when the effective propagation velocity of the seismic waves with respect to the pipeline is such that the actual time lag (separation distance between points divided by effective propagation velocity) is less than a ‘cross-over’ time lag. Cross-over time lags for 22 pairs of ground displacements recorded during the 1971 San Fernando Earthquake are presented in this paper. Finally, methods for estimating the propagation speed of the seismic waves along or with respect to the pipeline are discussed.     

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.     

液化土中输流管道的竖向地震响应研究

砂土液化是埋地管道遭受地震破坏的主要原因之一。液化土对管道产生上浮力,使管道发生上浮反应,它是随地震发生时间而变化的动态过程。将地震载荷作用下的液化区埋土管道模拟成两端弹性支承的直梁模型,考虑管-土间的相互作用和管内流体与管道之间的流固耦合作用,采用模态叠加法对液化区埋地管道进行地震响应的动态分析,探讨了管道和液化土参数对管道动态上浮反应的影响。通过数值仿真得到了管内流体的流速、流体压力、流体密度、管截面轴向力,管道黏弹系数、液化土容重和相对弹簧系数、地震加速度幅值等因素对管道上浮位移的影响情况。