埋地供水管道的地震反应研究

摘 要：本文介绍了目前国内外埋地供水管道的多种地震反应分析方法，并结合实际管道施工中的实例，比较了各种分析方法的计算结果，最后运用ANSYS有限元软件对管道与土壤环境进行了仿真模拟，得出了有限元分析结果，通过比较有限元分析结果和理论计算结果，进一步验证管道地震反应分析方法的可行性，为有限元法在埋地管道地震反应分析中的应用起到了推动作用。

关键词：供水管道 地震 ANSYS

中图分类号：TU352 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）10（a）-0062-02

对于埋地供水管道的地震反应，许多国内外学者做了相关研究。文献[1]介绍了埋地管道地震反应分析的简化法，假定管道与土壤之间同步变形，在地震作用下，埋地管道轴向应变等于土壤轴向应变。经分析，当地震波入射角=45°时，管道地震反应有最大值。实际上地震波入射角对于管土间相互作用影响显著，简化法未充分考虑地震波入射角的影响，仅认为=45°时，管道地震反应取最大值，鉴于简化法分析的局限性，研究文献[1]提出了基于地震波入射角的简化法。《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》[2]GB50032-2003认为埋地供水管道在地震波入射角为45°时，地震反应取得最大值，且认为管土间是完全弹性连接的，提出了埋地管道地震反应的规范计算公式。

本文介绍了3种埋地供水管道的地震反应分析法，并运用ANSYS有限元软件对管土之间相互作用进行了仿真分析，通过比较理论分析和有限元分析结果，论证地震反应有限元分析法是准确且可行的。

1 埋地供水管道地震反应分析

1.1 简化法

在地震作用下，假定管道与周围土地发生同步变形，管道自身轴向应变等于土体应变，当地震波入射角为45。，管道轴向应变达到最大值[1]。

式中，为土壤振动速度幅值，一般取地震动小区划给出的地震动速度峰值，见表1；CS为管道埋设深度处土层的剪切波速（m/s）。

实际上，管道与土壤间存在相对滑动，为了考虑滑移对管道应变的影响，引入管道轴向位移传递系数，管道轴向最大应力为：

式中，E为土壤管道弹性模量。

1.2 基于地震波入射角的简化法

综合考虑地震波入射角、管土相互作用及地震地面运动加速度的情况下，管道轴向最大应力为[1]：

式中，E为土壤管道弹性模量；T为场地自振周期；a为地震地面运动加速度（m/s2）；为地震波入射角；VS为剪切波速；D为管道外径；为管壁厚度；K为管道视为地基梁的轴向弹簧系数，取为0.66G；G为地基上的剪切模量。

从上式可以看出，管道最大轴向应力随地震波入射角的变化而变化，当=45°时，不一定取最大值。

1.3 抗震规范法

《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》[2]GB50032-2003给出了埋地供水管道在地震波作用下的规范计算式。

剪切波行进时管道埋深处的土体最大水平位移标准值，按下式计算：

式中，KH为设计基本地震加速度与重力加速度的比值，见表2；g为重力加速度；Tg为管道埋设场地的特征周期（S）。

管道轴向的位移传递系数可按下式计算：

式中，Vsp为管道埋设深度处土层的剪切波速（m/s），一般取实测剪切波速的2/3；Up为管道单位长度的外缘表面积（mm2/mm），对无刚性管基的圆管，为（D为管外径）；当设置刚性管基时，即为包括管基在内的外缘面积；k1为沿管轴方向土地的单位面积弹性抗力（N/mm3），一般可采用0.06N/mm3；A为管道的横截面积（mm2）。

在水平地震作用下，整体焊接钢管的最大应变量标准值为：

2 埋地供水管道实例计算

某高校欲建一栋综合楼，埋地供水管道的参数是：管径500mm，壁厚10mm，材质为球墨铸铁管，弹性模量为E=1.5×105MPa，管道埋深2m，管道所在场地类别为二类，场地土壤密度为ρ=2000kg/m³，土壤剪切模量G=300MPa，震动幅值A=4×10-3m，场地土剪切波速Vs=400m/s，场地卓越周期Tm=0.5s，地震波长L=200m，场地地震烈度Ⅶ度，地震时，地面运动加速度a=1.6m/s2，计算地震作用下管道轴向最大应力。

采用本文介绍的管道轴向最大应力3种计算方法，结果如表3所示。

3 地震有限元分析

用ANSYS有限元软件，建立管道和土体的实体模型。用Solid实体单元建立一根15m长的空心圆柱形长管，管道外径500mm，管道壁厚10mm。

管土间的相互作用采用Combin14弹簧单元模拟，Combin14弹簧单元是一种单向弹簧单元，主要承受轴向拉压作用。用ANSYS软件对管道实体模型进行网格划分如图1所示。

土弹簧系数的选取会直接影响到ANSYS有限元分析的结果，本次分析直接选用实例中的土弹簧系数，依据抗震规范法，土弹簧系数为：

K1=UPK1=3.14×500×0.06=94.2MPa

相关文献表明，选用3条、5条地震波输入可确保管土间地震反应分析的准确性，本文选用EL_Centro波、Taft波及上海人工波3条著名的地震波。地震波的施加通过用APDL命令指定结构的时间-加速度历程，有限元分析结果如表4所示。

4 结语

从理论计算和有限元分析结果可以看出，埋地供水管道的轴向最大应力计算是正确的。本文中的理论分析法对管道与土壤环境之间相互作用，在一定程度上或多或少进行了简化，因而计算结果相对于ANSYS有限元算法结果偏大。在以后的埋地供水管道地震反应分析中，可采用ANSYS有限元法进行分析，能得到更准确的数值。

参考文献

[1]姜华.埋地管道在地震波作用下的响应分析[D].华中科技大学，2011.

[2]GB 50032-2003，室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范[S].

[3]吳奎.城市供水管网系统的抗震可靠性分析[D].华中科技大学，2011.

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