懸空管道地震響應試驗研究

邵 磊， 余 成， 盧松梅， 張 虎， 黃子川， 袁洪強*

(1.葛洲壩城北快速路投資建設有限公司,湖北 荊州 434001；2.長江大學 城市建設學院，湖北 荊州 434023)

當前國內在油氣運輸領域廣泛利用長輸管道的方式為不同的區域提供必要的能源[1-3]。然而管道服役在復雜的地質環境中時，容易遭受各種地質災害的侵害，造成管道意外懸空。在地震荷載作用下，懸空管道比埋地管道更容易產生局部變形甚至破壞。因此,研究懸空管道在地震作用下的地震響應具有現實意義與價值[4-6]。近年來，國內外對懸空管道地震響應的研究主要從理論研究與數值模擬兩個方面開展。在理論研究方面，Hindy等[7]基于管道集中質量模型，并假定土體由兩種具有均勻或垂直邊界分離的土體組成的基礎上，建立靜態和動態連續理論，研究行波對管道的彎曲和軸向應力的影響，分析結果可知，考慮管-土相互作用能有效降低均勻介質中管道的應力；王海波等[8]重點探討處于半無限空間彈性介質內的管-土相互作用，并在研究過程中引入邊界單元法，研究結果表明，當管道埋深越大時，相互作用的程度會逐漸降低；在一定的地震波頻率內，埋地管道不會發生明顯的共振反應，反而由于管-土相互作用致使管體位移減小。其后武立偉等[9-11]進一步開展研究，推動懸空管道的地震響應理論研究漸趨完善。在數值模擬方面，蓋麗華[12]綜合考慮幾何以及材料非線性等因素，利用ABAQUS建立管道的實體非線性接觸模型來研究埋地管道在大位移作用下的受力反應。研究結果表明：埋地管道在大位移作用下，管道呈現出顯著的非線性特征。廖恒等[13]針對懸空管道的動力響應特征進行了深入研究，并通過ABAQUS軟件進行了數值模擬，探討了不同因素對懸空管道動力響應的影響，研究結果表明，在地震荷載作用下懸空長度和管徑對山地懸空管道的動力響應影響最大。雷震等[14]利用ABAQUS有限元軟件對懸空長輸管道在地震荷載作用下的應力狀況和變形特征進行研究，分析了不同參數對懸空管道地震響應的影響，研究成果能夠為懸空管道的維護以及管理提供一定的參考依據。

國內外在懸空管道地震響應理論研究方面已經較為成熟，但理論研究通常基于各種假設，且較多理論研究參數取值過于保守，與實際工程有一定差異。數值模擬研究雖然能夠通過合理建模來模擬實際工程中懸空管道的地震響應，但需要試驗的論證才能使所得結論具有說服力，而懸空管道的地震響應試驗研究相對較少。因此，本文以懸空管道為研究對象，通過縮尺試驗的方法，研究在地震荷載作用下懸空管道的響應規律。

1 試驗

1.1 試驗設計

本次試驗的目的是對懸空管道進行擬動力試驗，模擬地震對管道的作用，通過對不同的試件在不同加載工況下的應變反應進行分析，研究懸空長度、埋深及管徑等不同因素對懸空管道地震響應的影響。本試驗基于彈性相似律和重力相似律這兩種在結構模型試驗中常用的相似律[15-16]，同時參考文獻[17-19]確定模型試驗的相似比關系為1∶15，從而設計出9根懸空管道試件，試件分組見表1。管道尺寸分別為32 mm×2 mm和42 mm×2 mm，管道隨懸空長度的不同將其長度設置為3 000、4 000、5 000 mm。本次試驗對實際工程中的懸空管道進行簡化，簡化模型如圖1所示。由此，完成了懸空管道試驗裝置的設計，其基本結構可以參考圖2，試驗裝置由兩個土箱(長×寬×高為1 500 mm×1 000 mm×1 100 mm)和一個錯動盤組成。

表1 試件參數

圖1 簡化模型圖Fig.1 Simplified model drawing

圖2 試驗裝置圖Fig.2 Diagram of the test device

1.2 材料材性

試驗土體為粉質黏土，對土體取樣進行三軸壓縮試驗得出其性能參數見表2。試驗管道為鍍鋅管道，其力學性能如表3所示。

表2 土樣參數Tab.2 Mechanical properties of soil samples

表3 管道力學性能Tab.3 Mechanical properties of pipes

1.3 試驗量測與加載

本試驗采用擬動力加載方式，通過作動器給振動臺施加位移從而使兩個箱體產生相對錯動，以實現懸空管道在地震作用下的大位移條件加載。試驗采用天津波加載，試驗加載工況見表4。試驗采集系統主要由DH5908動態應變采集儀、INV9828傳感器及DASP軟件構成，詳見圖3。試驗量測采用電阻式應變片，管道跨中截面布置2個應變片，管道懸空段和埋土段交界處對稱布置16個應變片，同時定義靠近MTS-液壓加載系統的管側為管前，管道右側測點距離跨中截面的距離為正，詳見圖4。

圖3 試驗測量系統Fig.3 Test measurement system

圖4 應變片布置圖Fig.4 Strain gauge layout

表4 試驗加載工況Tab.4 Test loading conditions

2 試驗結果與分析

2.1 懸空長度的影響

為了研究不同懸空長度對懸空管道地震響應的影響，對S-2、S-5、S-8三根試件進行2種工況下的加載試驗，繪制圖5—圖7的三根試件在不同加載工況下的管道各測點應變分布圖。從圖中可以看出，在地震荷載作用下，以管道懸空段中心為對稱軸，管道應變呈反對稱分布在管道的兩側，管道的峰值應變出現在懸空管道的懸空段與土體交界處附近。改變懸空長度對懸空管道應變分布趨勢幾乎無影響，但對管道峰值應變出現的位置有影響。將管道的應變峰值與懸空長度的關系繪制出曲線，如圖8所示。由圖可知，懸空長度由1 500 mm增加到1 750 mm時,管道的峰值應變增大明顯,懸空長度由1 750 mm增加到2 000 mm時，峰值應變增加的幅度降低，峰值應變整體上隨著懸空長度的增加而增加。此外，隨懸空長度的增加，改變加速度工況，對管道的峰值應變影響較小。這是因為天津波加載工況對應著大位移條件,隨懸空長度的增加, 管道的側向變形會增加,導致管道的拉壓應變值的增加。

圖5 試件S-2在工況1、2沿管軸應變分布Fig.5 Strain distribution along the tube axis of specimen S-2 under working conditions 1 and 2

圖6 試件S-5在工況1、2沿管軸應變分布Fig.6 Strain distribution along the tube axis of specimen S-5 under working conditions1 and 2

圖7 試件S-8在工況1、2沿管軸應變分布Fig.7 Strain distribution along the tube axis of specimen S-8 under working conditions 1 and 2

圖8 懸空長度與管道應變關系Fig.8 Relationship between suspended length and pipeline strain

2.2 埋深的影響

為了研究不同埋深對懸空管道的影響，對300 mm和600 mm兩種埋深的試件進行2種加載工況下的試驗。將在2種加載工況下管道應變峰值與埋深的關系繪制成曲線，如圖9所示。由圖可知，相同懸空長度條件下,埋深由300 mm增加到600 mm，管道的峰值應變明顯增大。同時改變懸空長度，對管道的峰值應變隨著埋深增加的趨勢幾乎無影響。這是由于埋深的增加導致土體作用在管道上的土壓力和摩檫力增加，管道周圍土體對管道的約束作用增強，是管道的峰值應變增大。

圖9 埋深與管道應變關系Fig.9 Relationship between buried depth and pipeline strain

2.3 管徑的影響

為了研究不同管徑對懸空管道的影響，對32 mm和42 mm兩種直徑的試件進行2種加載工況下的試驗。將在2種加載工況下管道應變峰值與管徑的關系繪制成曲線，由圖10可知,相同懸空長度下，管道的峰值應變隨管徑的增大而降低，但應變增加幅度逐漸降低。這是由于管道直徑的增加,管道的截面慣性矩隨之增大,管道剛度增加,管道截面抵抗變形的能力增強,所以管道的應變反應減小。此外,管徑的增大雖然也會增加管道與土壤的接觸面積,導致管道周圍土體對管道的約束作用增大，但管徑變較小時這一部分土體的約束相較于管道剛度變化的影響較小。

圖10 管徑與管道應變關系Fig.10 Relationship between pipe diameter and pipeline strain

3 結論

1)在地震荷載作用下，隨著埋深的增大，管道周圍土體對管道的約束作用增強且管道受到的摩擦力增大，從而限制了管道位移，導致管道的峰值應大。因此，在實際施工中，管道選擇淺埋，會使懸空管道在地震荷載作用下不易破壞。

2)在大位移條件下，隨懸空長度的增加，管道的峰值應變隨之增大。管道工作在容易發生橫向大位移的服役環境時，應當降低懸空長度來保證管道的安全運行。

3)隨著管徑的增加，管道的峰值應變呈現出減小的趨勢，并且在不同的懸空長度下，應變的反應規律也保持一致。在實際工程施工過程中，應盡量選擇大口徑的管道，有利于降低地震荷載作用下懸空管道的影響。