水下懸浮管道地震響應分析＊

周家才 雷 凡 楊吉新

（中交第二公路勘察設計院有限公司1） 武漢 430050） （武漢理工大學交通學院2） 武漢 430063）

0 引 言

海底輸油管道是海洋石油工業的一種有效運輸工具，我國已經建成的海底管道約2 000km．設計時通常平鋪在海底，沿線與海床接觸．但由于其使用環境較為復雜，常受到波浪、海流、地震等荷載的作用，會導致局部與海床脫離，使部分管段成為懸浮結構［1－3］．同時，用于交通運輸的水下懸浮隧道，也已得到廣泛關注，相關的設計和建造技術正在研究之中，有望成為重要的跨海運輸工具．這類水下懸浮管道的工作性能，與陸地結構有較大的區別［4－6］．本文應用流固耦合數值分析方法和ANSYS軟件，對水下懸浮管道的地震響應進行分析，以求對其動力性能所了解，促進其設計技術的發展和完善．

1 計算模型

1.1 模型參數

選取抽象的3個懸浮圓管計算模型，長度分別為20，30，40m．結構尺寸及材料參數見表1．

表1 模型基本參數

假定圓管處于無限深海中，圓管兩端完全固定．建立圓管及水域的三維數值模型，整個計算區域取長方體區域來模擬無限流場，水體邊界取6倍圓管外徑，水體外四周采用無窮邊界［7］．水體采用三維流體單元進行離散，圓管采用三維實體單元離散．劃分后的截面網格及整體網格如圖1所示．有限元模型節點數為21 816，單元數為19 200．

1.2 地震波

所采用的地震波為埃爾森特羅波（El Centro）波，地震動持時為30s，時間間隔為0．02s，如圖2所示．分析時地震波沿坐標x方向即垂直于管線縱軸線輸入．為考慮不同強度地震動作用下結構響應變化規律，將El Centro地震波乘以一系列強度系數，使之成為一組不同強度的地震波．

圖1 計算模型（管長30m）

圖2 El Centro波加速度時程

1.3 計算工況

取管道為空載，即管內無液體和固體物，管外為靜水，對地震加速度峰值分別為0．5，1，2，4m／s24種情況下的響應進行計算．為與置于空氣中即管外無水狀況進行比較分析．

2 計算結果

2.1 地震加速度峰值為0．5m／s2 時的響應

3個模型在地震加速度峰值為0．5m／s2時的跨中位移和應力見圖3～5．

2.2 地震加速度峰值為4m／s2 時的響應

3個模型在地震加速度峰值為4m／s2時的跨中位移和應力見圖6～8．

圖3 20m圓管地震響應

圖4 30m圓管地震響應

3 結果分析

從圖3～8可見：

1）相同荷載情況下，各圓管的位移響應和應力響應隨時間的變化趨勢基本一致．考慮水作用時的最大位移和最大應力均大于不考慮水作用時的最大位移和最大應力．因此，在地震作用下，水與結構的相互作用可能會增大結構的動力響應，使結構偏于不安全，對水中結構進行地震分析時，考慮水的作用是十分必要的．

圖5 40m圓管地震響應

圖6 20m圓管地震響應

圖7 30m圓管地震響應

圖8 40m圓管地震響應

2）比較考慮和不考慮水作用2種情況下的時程曲線，考慮水作用時的響應并不總是大于同一時刻不考慮水作用時的響應，且最大值發生的時刻也不相同．

為進一步比較圓管在水中與空氣中地震響應的大小，下面再對圓管跨中響應峰值隨地震強度的變化規律進行討論．由于20，30，40m長圓管的跨中節點地震響應峰值隨地震強度的變化曲線基本一致，下面以20m長圓管為例．

20m長圓管在考慮水和不考慮水的情況下，地震加速度峰值為0．5，1，2，4m／s2時的最大位移和最大應力見圖9．

圖9 圓管跨中響應峰值隨地震強度的變化曲線

從圖9可以看出，最大位移和最大應力曲線的變化規律基本一致，隨著地震加速度峰值的增大，圓管的最大位移和最大應力也相應增大．但比較考慮水和不考慮水的地震峰值響應知，考慮水的圓管的跨中最大位移和最大應力較不考慮水的結果大，且隨著地震強度的增大，考慮水的地震響應增幅也較不考慮水的情況大．

4 結束語

本文針對地震作用下水下懸浮管道地震響應進行了探討．建立了地震作用下水中懸浮管道分析模型，通過比較有水、無水情況下的計算結果，探討了地震作用下水下懸浮管道地震響應規律，并分析了結構長度、地震強度等因素對結構動力響應的影響．結果發現，在有水和無水兩種情況下，結構地震響應的峰值在不同時刻發生．在大部分時間內，考慮水作用時的地震響應均大于不考慮水作用時的地震響應，且這種差別隨著地震強度的增加而增大．

［1］張 敏．橋墩與河水流固耦合振動分析［D］．大連：大連交通大學機械工程學院，2006．

［2］Gong S W，Lam K Y，Lu C．Structural analysis of a submarine pipeline subjected to underwater shock［J］．International Journal of Pressure Vessels and Piping，2000，77（7）：417－423．

［3］Patel M H．Three－dimensional behaviour of elastic marine cables in sheared currents［J］．Applied Ocean Research，2000，22（1）：45－53．

［4］何 勇．隨機荷載作用下海洋柔性結構非線性振動響應分析方法［D］．杭州：浙江大學建筑工程學院，2007．

［5］Furnes G K，Berntsen J．On the response of a free span pipeline subjected to ocean currents［J］．Ocean Engineering，2003，30（12）：1 553－1 557．

［6］王變革．水下懸浮隧道錨索的動力響應研究［D］．大連：大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，2007．

［7］楊吉新，張 可，黨慧慧．基于ANSYS的流固耦合動力分析方法［J］．船海工程，2008，37（6）：86－90．