第五章 管道抗震设计计算•地震是最严重的自然灾害之一，例：–1923年日本关东大地震，震级7.9级，震中烈度11度，距震中90公里的横滨市几乎被化为废墟，东京被烧掉三分之二，死亡近十万人；–1960年智利大地震，震级8.9级，震中烈度11度，引起地面下沉、滑坡塌方、火山爆发、海啸，沿海一带的城镇、港口等大都被海浪冲走或陷入海里；–1976年的唐山大地震，震级7.8级，震中烈度11度，唐山市房屋绝大部分倒塌–2008年的汶川大地震，震级8.0级，震中烈度11度，汶川大地震是中国一九四九年以来破坏性最强、波及范围最大的一次地震•全世界平均每年发生5级以上的地震130次 地震使管道破坏并产生严重的次生灾害 •地震对管道的影响：–断层–土壤液化–地面波动•管道抗震的设计规定：设防地震动峰加速度为0.1~0.15g以上（地震烈度为七度） 5-1 工程抗震常识1、地震波•地震时，地下积蓄的变形能量以波的形式释放，从震源向四周传播•地震波主要分为体波和面波 •体波主要有两种成分：–压缩波（P波）：又称纵波或疏密波，其质点的振动方向与波的前进方向一致，可在固体或液体中传播其特点是周期短、振幅小–剪切波（S波）：又称横波或等容波，其介质的振动方向与波的前进方向垂直，仅能在固体中传播。
其特点是周期较长、振幅大 •压缩波比剪切波的传播速度高 P波和S波示意ab压缩未扰动介质P波S波波长膨胀两倍波幅 面波——乐甫波(L波)和瑞利波(R波)•当体波从基岩传播到上层土时，经分层地质界面的多次反射和折射，在地表面形成的一种次生波地震时，压缩波最先到达，然后是剪切波，再后是面波 2、震级•指在一次地震中地壳所释放出来的能量释放的能量越多，震级越大；•地震的震级一般采用里氏（里克特Richter）震级；•一个6级地震释放的能量相当于一个2万吨级的原子弹；•地震对地面的影响程度与许多因素有关，除了震级以外，还与震源深度、震中距等因素有关 3、烈度•地震烈度是指某一个地区、地面及房屋建筑等工程结构遭受到一次地震影响的强烈程度•一次地震对于不同的地区有多个烈度，即地震烈度•震级与烈度不能混淆 如唐山地震，震级7.8级，震源深度12~16km，震中烈度11度，各地烈度如下:烈 度范 围面积，km2 11度 10度 9度 8度 7度 唐山市 古冶到丰南 宁河、滦县、汉沽 天津市区 北京市部分地区 27.5 367 1800 7270 33300 我国采用12度地震烈度法•烈度I，在特别易于感受的条件下，只有少数人才能感觉到；•烈度II，只有在建筑物上层部位静止着的人们方能感觉到，易于摆动的悬吊物有摇摆现象；•烈度III，在建筑物上层部位的多数人可感觉到，但大部分人不认为是地震。
停着的汽车轻微摆动，有如卡车经过时的震动，可测知其持续时间•烈度IV，白天室内多数人，室外少数人可感知，盘碟、门窗摇动，墙壁作响，有如重卡车碰撞建筑物的感觉，停着的汽车相当摇动； •烈度V，人人可感知，多数人睡中醒来，窗玻璃有摇动，灰泥抹面裂缝，放置不稳的器物倾倒，电线杆、树木、塔状体的摇动有时可见，钟表停摆；•烈度VI，人人受惊，跑出室外，重家具移动，灰泥抹面有脱落，烟窗有倾倒，稍有受灾；•烈度VII，人人都跑出室外，质量好的建筑物几乎不受损害，一般的则有若干受灾，质量不好的有显著受灾烟窗折断，人在行驶着的汽车中也可感受到地震； •烈度VIII，质量好的建筑物也受有或多或少的灾害，一般的建筑物有相当的灾害，且有一部分倒塌质量不好的建筑物遭受大的破坏，贴板墙面错动脱落，烟窗、柱、纪念碑、墙壁倾倒泥沙少量喷出，井水发生变化，汽车行驶有障碍；•烈度IX，质量好的建筑物也有相当的震害，建筑物、构筑物的基础错位偏移，地面裂开，地下埋设管道破坏 •烈度X，质量好的木造房屋倒塌，多数砖石结构和架桥结构连同基础一起遭到破坏，地面开裂，钢轨弯曲，斜坡与堤防滑移；•烈度XI，砖石结构几乎全部倒塌，桥梁破坏。
地面全面出现裂缝，地下埋设管道不能使用，软弱地基发生滑移，钢轨显著弯曲•烈度XII，全部遭到震灾，地面波动传播可知，地形变动，物体被抛起来 也可根据最大加速度来确定地震烈度美国地震烈度表烈度IIIIIIIVV加速度cm/s2<1.01.0~2.12.1~5.05.0~1010~21烈度VIVIIVIIIIXX加速度cm/s221~4444~9494~202202~432>432 基本烈度 •基本烈度是指某地区在今后一定时间内，在一般场地条件下可能遭受的最大地震烈度 •按照国家地震局颁布的《中国地震烈度区划图》，全国分为：五度、六度、七度、八度、九度共五个区 基本烈度 本地震烈度区划图上所标示的地本地震烈度区划图上所标示的地震烈度值，系指在震烈度值，系指在50年期限内，年期限内，一般场地条件下，可能遭遇超越一般场地条件下，可能遭遇超越概率为概率为10%的烈度值的烈度值 抗震设防烈度 •抗震设防烈度是按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度•我国抗震设防范围为七、八、九度九度以上的地区不宜建包括油罐在内的工业设施 5-2 场地及地基土类别的划分 震害表明，同一烈度区内，局部土质条件不同，建筑物的破坏程度差异很大。
–对地面运动的影响：软弱地基与坚硬地基相比，前者的地面卓越周期长，振幅较大，振动持续时间较长； –对地基的稳定和变形的影响：软弱地基易产生不稳定状态和不均匀沉降，甚至发生液化、滑坡、开裂等严重现象，而坚硬地基则很少有这种危险； –改变建（构）筑物的动力特性：软弱地基对上部结构有增长周期、改变振型和增大阻尼的作用 各类地段的划分 类型地质、地形、地貌有利地段坚硬土或开阔平坦均实的中硬土等不利地段软弱土，液化土，条状突出的山嘴，高耸孤立的山丘，非岩质的陡坡，河岸和边坡边缘，平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的土层（如故河道、断层破裂带、暗埋的塘浜沟谷及半填半挖地基）危险地段地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等及发震断裂带上可能发生地表位错的部位 场地土的划分 场地土类型土层剪切波速（m/s）坚硬场地土vs>500中硬场地土500≥vs>250中软场地土250≥vs>140软弱场地土vs≤140近、远震场地类别IIIIIIIV近震0.200.300.400.65远震0.250.400.550.85特征周期 5-3 砂土的地震液化 •液化使土壤强度减少甚至完全丧失，管道由于支承丧失甚至还可能受到液化土的浮力作用，引起管道上大的变形而破坏。
•砂土液化的概念：“液化是使任何物质转化为液体状态的行为过程就无粘性土而言，这种由固体状态变为液体状态的转化是孔隙水压力增大和有效应力减小的结果” 影响砂土液化的主要因素 •砂土的粒度组成–均匀的级配易于产生液化，就细砂和粗砂而言，细砂的渗透性比粗砂低，细砂比粗砂更易液化 •砂土的密度–疏松的砂，孔隙大，易于液化，密实的砂则抗液化 •砂层的有效覆盖压力–覆盖土层越厚，就相当密闭容器的耐压强度越高，从而减轻了砂土液化对工程结构的影响 •地震的烈度和持续的时间–砂土能否液化，由地震所引起的土体内最大剪应力的情况和持续作用的时间来决定 5-4 跨越断层管道的抗震设计 •断层是两部分地壳板块之间挤压而导致断裂面，并沿该断裂面发生相对运动；•断层类型有三种：–走滑断层——主要运动发生在水平面；–正断层——正断层使管道承受拉伸变形；–逆断层——逆断层使管道承受压缩变形•断层对管道的作用： 破坏模式三种可能的破坏模式：拉裂、局部屈曲和梁式屈曲 –埋地钢管在穿越正断层或以 90的交角穿越走滑断层时，主要承受拉力，破坏模式为拉裂通常极限拉应变取4%，大于该值即认为管道已发生拉裂破坏–地下管道穿越逆断层或以 > 90的交角穿越走滑断层时，主要承受压力，其可能的破坏模式包括局部屈曲和梁式屈曲。
应力-应变曲线描述管道屈服后的应力-应变特性，可采用Ramberg-Osgood建议的关系式： 式中， 是工程应变， 是轴拉应力，E 是弹性模量，y 是屈服应力, n 和 r 是 Ramberg-Osgood 参数 应变控制•管道的设计允许应变和荷载组合 受拉受压海底管道1%0.5%陆上管道4%0.35t/D荷载组合可只考虑断层位移断层位移+温度+内压 1 国内外研究现状国内外研究现状理理论模型模型 （（1））Newmark-Hall模型；模型； （（2））Kennedy模型；模型； （（3）王汝梁模型；）王汝梁模型； （（4）刘）刘爱文模型存在存在问题：不适合管道受：不适合管道受压情况，且不能体情况，且不能体现管截面的大管截面的大变形情况有限元模型有限元模型 管土相互作用采用土管土相互作用采用土弹簧模簧模拟，土，土弹簧簧刚度确定（度确定（ASCE指南）指南）存在存在问题：土：土弹簧簧刚度未考度未考虑管沟参数及管沟管沟参数及管沟内外土壤特性不同的情况内外土壤特性不同的情况认为管子变形为一条直线，管道的最大认为管子变形为一条直线，管道的最大应力及最大应变均在与断层的相交处，应力及最大应变均在与断层的相交处，并且只考虑轴向摩擦力，忽略管子的弯并且只考虑轴向摩擦力，忽略管子的弯曲刚度和周围土体的侧向作用力，管材曲刚度和周围土体的侧向作用力，管材应力应力-应变曲线采用三折线模型。
该方法应变曲线采用三折线模型该方法得到的结果偏于不安全得到的结果偏于不安全三点改进：三点改进：(1)把管子变形分段即用圆弧把管子变形分段即用圆弧和直线分别模拟在断层附近和离断层较和直线分别模拟在断层附近和离断层较远的管段变形；远的管段变形；(1)在断层附近考虑周围在断层附近考虑周围土体的侧向作用力；土体的侧向作用力；(3) 管材应力管材应力-应变应变曲线采用曲线采用Ramberg-Osgood模型但由模型但由于该方法同样忽略了管子的弯曲刚度，于该方法同样忽略了管子的弯曲刚度，其计算结果多数情况下偏于保守其计算结果多数情况下偏于保守考虑了管子的弯曲刚度，离断层较远的考虑了管子的弯曲刚度，离断层较远的管道变形不再是简单的直线而是采用弹管道变形不再是简单的直线而是采用弹性地基梁的变形曲线模拟，将断层附近性地基梁的变形曲线模拟，将断层附近管子的变形假定为梁的挠曲线，并得出管子的变形假定为梁的挠曲线，并得出管道的最大应力及最大应变不一定在与管道的最大应力及最大应变不一定在与断层的相交处，而可能是在断层附近某断层的相交处，而可能是在断层附近某个点上的结论个点上的结论考虑了剪力连续的边界条件，管材应力考虑了剪力连续的边界条件，管材应力-应变曲线采用应变曲线采用Ramberg-Osgood模型，模型，提出一种可以把提出一种可以把Newmark方法和方法和Kennedy方法作为特例包容进去的新方方法作为特例包容进去的新方法。
法 2 基于应变的穿越活动断层埋地管道抗震设计方法研究基于应变的穿越活动断层埋地管道抗震设计方法研究管线变形后形状 有限元模型有限元模型•管土相互作用采用土管土相互作用采用土弹簧模簧模拟•土土弹簧簧刚度确定（考度确定（考虑管沟影响）管沟影响） 2.1 考虑管沟敷设参数的土弹簧刚度计算方法考虑管沟敷设参数的土弹簧刚度计算方法•管管轴方向方向—ASCE指南指南•水平和垂直方向水平和垂直方向—实际管沟截面内的平面管沟截面内的平面应变有限元分析有限元分析 管道穿越断管道穿越断层的相交角度的相交角度为 ，断，断层倾角角为 管道穿越水平位管道穿越水平位移移为 s的走滑断的走滑断层时，沿管道的，沿管道的轴向位移分量向位移分量 x和和侧向位移分量向位移分量 y 分分别为：：管道穿越垂直位移管道穿越垂直位移为 p的正断的正断层和逆断和逆断层时，沿管道的水平分，沿管道的水平分量量 x、水平、水平侧向分量向分量 y和和竖直分量直分量 z分分别为：：式中，式中， p对正断正断层取正取正值，，对逆断逆断层取取负值 s对右旋右旋走滑断走滑断层取正取正值，，对左旋走左旋走滑断滑断层取取负值。
2.2 断层位移预测断层位移预测 n 管道模型管道模型————ELBOW单元元n 管材模型管材模型————R-O本构关系本构关系n 管管-土作用模型土作用模型————PSI单元元单元元刚度度————管管轴方向：方向：ASCE指南指南水平和垂直方向：水平和垂直方向：实际管沟截面内的管沟截面内的 平面平面应变有限元分析有限元分析 n 载荷条件荷条件————断断层位移位移环向全壳积分，准确描述管道等薄壁结构复杂变形，适于管道截面椭圆化、扭曲或翘曲等问题，内压、温度2.3 活动断层区埋地管道力学分析模型活动断层区埋地管道力学分析模型 算例算例————西气西气东输二二线管道管道1219 × 22mm，埋深，埋深2.5m，内压，内压12MPa；管材；管材X80，弹性模量，弹性模量 MPa管沟管沟管沟底宽管沟底宽1.8m；管沟坡度；管沟坡度1：：10。
土体土体管沟土：砂土，密度管沟土：砂土，密度18KN/m3，内摩擦角，内摩擦角30°，弹性模量，弹性模量30MPa 周围土：周围土：21.8m×13.3m，弹性模量，弹性模量500MPa ①①管道主要受管道主要受轴向向压应力作力作用；用；②②管道最大管道最大应变出出现在断在断层两两侧20米范米范围内，内，0.65%2.4 穿越活动断层埋地管道应变的影响因素分析穿越活动断层埋地管道应变的影响因素分析断层断层逆断层，穿越角度逆断层，穿越角度40°，断层倾角，断层倾角45°，垂直位移，垂直位移1.41m 应变（%）应力（MPa）1210864200100200300400500600700X80HD1X80HD2X70 西气东输二线强震区和活动断层段埋地管道基于应变设西气东输二线强震区和活动断层段埋地管道基于应变设计导则计导则容容许拉伸拉伸应变容容许压缩应变 2.4 穿越活动断层埋地管道应变的影响因素分析穿越活动断层埋地管道应变的影响因素分析 2.4 穿越活动断层埋地管道应变的影响因素分析穿越活动断层埋地管道应变的影响因素分析 优选由以上分析可知，由以上分析可知，该埋地管埋地管道的最佳交角道的最佳交角为10°；最佳埋；最佳埋深深为1.8m；最佳沟；最佳沟宽为1.9m；安全壁厚；安全壁厚为26.4mm。
管道最大管道最大压缩应变由由0.65%降降低到低到0.22%，降低了，降低了66.15%2.4 穿越活动断层埋地管道应变的影响因素分析穿越活动断层埋地管道应变的影响因素分析抗震措施抗震措施优先先顺序：序：•选择管道穿越活管道穿越活动断断层的有利走向的有利走向•降低管土相互作用（管沟尺寸、埋深、回填土特性）降低管土相互作用（管沟尺寸、埋深、回填土特性）•增加管道壁厚增加管道壁厚 5-5 地震波动作用下管道的应力与应变 1.地面变形工程上把地震波视为平面简谐波，波动方程为任何复杂波均由简谐波迭加而成 管道在地震时将伴随周围土体一起变形 •分别由纵波和横波确定管道的纵向和横向变形 其中:最大地面运动加速度 令:其中:纵向和横向变形 2. 地震波动时管道的应力根据地面运动，确定管道应力地震应力迭加后的总的轴向应力值是否超过s，值得考虑 理论方法 （1）拟静力近似分析方法（最早由Newmark提出）；（2）反应位移方法（由日本学者20世纪70年代提出）；（3）输油(气)钢质管道抗震设计规范法（SY/T0450-2004）；（4）运动-变形分析法（在前几种方法的基础上发展的，更准确的反映了地震波对管道的作用）。
反反应位移方法位移方法（由日本学者20世纪70年代提出） 输油油(气气)钢质管道抗震管道抗震设计规范法范法（SY/T0450-2004）场地类型坚硬一般软弱剪切波速C(m/s)500300140特征周期Tg(s)一组0.250.350.45二组0.30.40.55三组0.350.450.75 运运动-变形分析法形分析法（在前几种方法的基础上发展的，更准确的反映了地震波对管道的作用） Ⅷ度的度的EL-centro地震波；地震波；地震波沿着地震波沿着Y向支管向支管传播；播；最大地震响最大地震响应发生在第生在第4.6s；；三通最大三通最大应变达到达到0.2915%Y向传播时三通的应变反应时程曲线向传播时三通的应变反应时程曲线 埋地管道抗震设计上的考虑•管道选线时应避开9度以上的地震区；•尽可能避开断层、滑坡、塌陷地区，避开饱和松散粉砂地段；•通过断层区的管道，管道与地层尽可能只相交一次，不能与断层平行，与断层的夹角以30~80为宜，断层两侧至少60m范围内管道浅埋•通过液化区时，必要时可改在地上敷设，如果液化土较浅，可在液化土层以下稳定的土壤中；•在管道出入地面部位，与三通、阀门和设备等的连接以及软硬土交错部位，应采用柔性连接。
本章小结•油气管道的抗震设防烈度是七度•地震影响管道主要有三种作用：断层错动、土壤液化和地面振动油气输送管道的抗震设计也是从这三个方面分别考虑•地震波是体波：纵波和横波此外，在地表面形成两种形式的次生波——面波：乐甫波(L波)和瑞利波(R波)•地震释放的能量大小用震级表示，一般采用里氏震级•地震烈度是指某一个地区、地面及房屋建筑等工程结构遭受到一次地震影响的强烈程度我国将地震 烈度分为12度•断层是两部分地壳板块之间挤压而导致断裂面，并沿该断裂面发生相对运动断层类型有三种：走滑断层、正断层和逆断层走滑断层的主要运动发生在水平面，根据管道-断层的相交角度不同，可导致管道拉伸或压缩正断层和逆断层的主要地层位移是在竖直方向正断层使管道承受拉伸变形，而逆断层主要使管道承受压缩变形•砂土液化使土壤强度减少甚至完全丧失，影响土壤液化的因素有：砂土的粒度组成、砂土的密度、砂层的有效覆盖压力、地震的烈度和持续的时间•根据地面在地震波作用下的运动计算管道的应力。