埋地供水管道的地震反應研究

陳佳++鄭歸++謝莉

摘 要：本文介紹了目前國內外埋地供水管道的多種地震反應分析方法，并結合實際管道施工中的實例，比較了各種分析方法的計算結果，最后運用ANSYS有限元軟件對管道與土壤環境進行了仿真模擬，得出了有限元分析結果，通過比較有限元分析結果和理論計算結果，進一步驗證管道地震反應分析方法的可行性，為有限元法在埋地管道地震反應分析中的應用起到了推動作用。

關鍵詞：供水管道 地震 ANSYS

中圖分類號：TU352 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）10（a）-0062-02

對于埋地供水管道的地震反應，許多國內外學者做了相關研究。文獻[1]介紹了埋地管道地震反應分析的簡化法，假定管道與土壤之間同步變形，在地震作用下，埋地管道軸向應變等于土壤軸向應變。經分析，當地震波入射角=45°時，管道地震反應有最大值。實際上地震波入射角對于管土間相互作用影響顯著，簡化法未充分考慮地震波入射角的影響，僅認為=45°時，管道地震反應取最大值，鑒于簡化法分析的局限性，研究文獻[1]提出了基于地震波入射角的簡化法。《室外給水排水和燃氣熱力工程抗震設計規范》[2]GB50032-2003認為埋地供水管道在地震波入射角為45°時，地震反應取得最大值，且認為管土間是完全彈性連接的，提出了埋地管道地震反應的規范計算公式。

本文介紹了3種埋地供水管道的地震反應分析法，并運用ANSYS有限元軟件對管土之間相互作用進行了仿真分析，通過比較理論分析和有限元分析結果，論證地震反應有限元分析法是準確且可行的。

1 埋地供水管道地震反應分析

1.1 簡化法

在地震作用下，假定管道與周圍土地發生同步變形，管道自身軸向應變等于土體應變，當地震波入射角為45。，管道軸向應變達到最大值[1]。

式中，為土壤振動速度幅值，一般取地震動小區劃給出的地震動速度峰值，見表1；CS為管道埋設深度處土層的剪切波速（m/s）。

實際上，管道與土壤間存在相對滑動，為了考慮滑移對管道應變的影響，引入管道軸向位移傳遞系數，管道軸向最大應力為：

式中，E為土壤管道彈性模量。

1.2 基于地震波入射角的簡化法

綜合考慮地震波入射角、管土相互作用及地震地面運動加速度的情況下，管道軸向最大應力為[1]：

式中，E為土壤管道彈性模量；T為場地自振周期；a為地震地面運動加速度（m/s2）；為地震波入射角；VS為剪切波速；D為管道外徑；為管壁厚度；K為管道視為地基梁的軸向彈簧系數，取為0.66G；G為地基上的剪切模量。

從上式可以看出，管道最大軸向應力隨地震波入射角的變化而變化，當=45°時，不一定取最大值。

1.3 抗震規范法

《室外給水排水和燃氣熱力工程抗震設計規范》[2]GB50032-2003給出了埋地供水管道在地震波作用下的規范計算式。

剪切波行進時管道埋深處的土體最大水平位移標準值，按下式計算：

式中，KH為設計基本地震加速度與重力加速度的比值，見表2；g為重力加速度；Tg為管道埋設場地的特征周期（S）。

管道軸向的位移傳遞系數可按下式計算：

式中，Vsp為管道埋設深度處土層的剪切波速（m/s），一般取實測剪切波速的2/3；Up為管道單位長度的外緣表面積（mm2/mm），對無剛性管基的圓管，為（D為管外徑）；當設置剛性管基時，即為包括管基在內的外緣面積；k1為沿管軸方向土地的單位面積彈性抗力（N/mm3），一般可采用0.06N/mm3；A為管道的橫截面積（mm2）。

在水平地震作用下，整體焊接鋼管的最大應變量標準值為：

2 埋地供水管道實例計算

某高校欲建一棟綜合樓，埋地供水管道的參數是：管徑500mm，壁厚10mm，材質為球墨鑄鐵管，彈性模量為E=1.5×105MPa，管道埋深2m，管道所在場地類別為二類，場地土壤密度為ρ=2000kg/m?，土壤剪切模量G=300MPa，震動幅值A=4×10-3m，場地土剪切波速Vs=400m/s，場地卓越周期Tm=0.5s，地震波長L=200m，場地地震烈度Ⅶ度，地震時，地面運動加速度a=1.6m/s2，計算地震作用下管道軸向最大應力。

采用本文介紹的管道軸向最大應力3種計算方法，結果如表3所示。

3 地震有限元分析

用ANSYS有限元軟件，建立管道和土體的實體模型。用Solid實體單元建立一根15m長的空心圓柱形長管，管道外徑500mm，管道壁厚10mm。

管土間的相互作用采用Combin14彈簧單元模擬，Combin14彈簧單元是一種單向彈簧單元，主要承受軸向拉壓作用。用ANSYS軟件對管道實體模型進行網格劃分如圖1所示。

土彈簧系數的選取會直接影響到ANSYS有限元分析的結果，本次分析直接選用實例中的土彈簧系數，依據抗震規范法，土彈簧系數為：

K1=UPK1=3.14×500×0.06=94.2MPa

相關文獻表明，選用3條、5條地震波輸入可確保管土間地震反應分析的準確性，本文選用EL_Centro波、Taft波及上海人工波3條著名的地震波。地震波的施加通過用APDL命令指定結構的時間-加速度歷程，有限元分析結果如表4所示。

4 結語

從理論計算和有限元分析結果可以看出，埋地供水管道的軸向最大應力計算是正確的。本文中的理論分析法對管道與土壤環境之間相互作用，在一定程度上或多或少進行了簡化，因而計算結果相對于ANSYS有限元算法結果偏大。在以后的埋地供水管道地震反應分析中，可采用ANSYS有限元法進行分析，能得到更準確的數值。

參考文獻

[1] 姜華.埋地管道在地震波作用下的響應分析[D].華中科技大學，2011.

[2] GB 50032-2003，室外給水排水和燃氣熱力工程抗震設計規范[S].

[3] 吳奎.城市供水管網系統的抗震可靠性分析[D].華中科技大學，2011.endprint