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        不同土體組合下地下管線抗震性能研究

        2014-11-11 08:56:11黃舒鵬彭功勛魏立新等
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2014年23期
        關(guān)鍵詞:方向混凝土

        黃舒鵬++彭功勛++魏立新等

        摘 要:該文主要針對(duì)廣州市特有的不同種類的不利地層組合,通過正交試驗(yàn)方法,對(duì)不同材質(zhì)的管道在土體組合中的地震破壞情況進(jìn)行數(shù)值分析和研究,得到其最不利的工況組合并對(duì)地下管線抗震性能進(jìn)行評(píng)估,為實(shí)際工程的應(yīng)用提供了參考。

        關(guān)鍵詞:正交試驗(yàn) 數(shù)值計(jì)算 土體組合 抗震性能 地下管線

        中圖分類號(hào):P315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2010)08(b)-0197-04

        由于影響管線破壞的影響因素很多,沿管線方向不同的土體及土體長度對(duì)管道的破壞有很大影響,同時(shí)不同的管道材料以及不同的地震作用方向?qū)艿赖钠茐囊灿胁煌挠绊?。如果采用全面試?yàn)組合,數(shù)值計(jì)算的模型數(shù)量很多,因此采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法,選取一定數(shù)量的有代表性的工況來進(jìn)行分析,通過部分工況來得到全部工況中的普遍規(guī)律,找出最不利的組合。

        該文選取廣州地區(qū)特有的四種土體組合,分別為粉砂-殘積土-粉砂、淤泥-殘積土-淤泥、殘積土-粉砂-殘積土和殘積土-淤泥-殘積土,對(duì)每種土的組合單獨(dú)考慮,每種組合中土體的長度分別取5 m、25 m和50 m;地震作用方向有三種情況,分別為軸向地震(沿管道方向,數(shù)值計(jì)算中為X方向)、側(cè)向地震(垂直于管道且平行于地面方向,數(shù)值計(jì)算中為Y方向)和豎向地震(垂直于地面方向,數(shù)值計(jì)算中為Z方向);管道材料有三種,分別為鋼管、混凝土管、HDPE管,其中鋼材采用Q235鋼,混凝土采用C30混凝土。因此對(duì)每種土體的組合來說為三水平四因素試驗(yàn)[1]。

        1 模型介紹

        在數(shù)值計(jì)算中,土體采用摩爾-庫倫模型,管道采用線彈性模型[2]。建模是采用單一土層,土體深度20 m,寬度50 m,管徑取1200 mm,埋深4 m,位于土體中部。在靜力計(jì)算過程中,采用土體底面和四周法向固定的邊界條件[3];動(dòng)力計(jì)算過程中,土體底部采用靜態(tài)邊界條件,土體四周采用自由場邊界條件。土體取局部阻尼為0.1571。地震波輸入位置為模型底部[4]。土體模型和管道模型如圖1、2所示。

        由圖1所示,不同的土層沿X方向布置,圖中藍(lán)色和綠色分別代表土一、土二兩種不同的土體材料,土體長度根據(jù)不同的試驗(yàn)工況組合確定,最小為15 m,最大為150 m,沿Y方向土體寬度為50 m,沿Z方向土體深度為20 m,管道位于土體中央埋深4 m處。由圖2所示,管道沿X方向布置,圖中藍(lán)色即表示管道模型,管道長度和土體的總長度一致,最小為15 m,最大為150 m,管道直徑1200 mm。

        數(shù)值計(jì)算中所采用的地震數(shù)據(jù)為EI Centro三向波,地震作用時(shí)間為6 s。圖3為EI Centro三向波前6 s的加速度時(shí)程曲線。

        根據(jù)廣州地區(qū)的抗震設(shè)防等級(jí)對(duì)該地震波進(jìn)行調(diào)幅處理,廣州地區(qū)的抗震設(shè)防等級(jí)為7度(0.1 g),即將EI Centro三向波的加速度時(shí)程曲線的峰值均縮小至0.1 g,其余各點(diǎn)加速度值均按比例縮小,得到峰值均為0.1 g的三向加速度時(shí)程曲線。由于速度是加速度相對(duì)于時(shí)間的積分,將調(diào)幅之后的加速度時(shí)程曲線對(duì)時(shí)間積分得到速度時(shí)程曲線。

        2 分析結(jié)果

        采用極差分析法對(duì)最終結(jié)果進(jìn)行處理,極差分析又稱直觀分析,是正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果分析中直觀的、常用的分析方法。極差分析法包括計(jì)算和判斷兩個(gè)步驟。其中為第j列因素第m水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)和,為平均值。由大小可以判斷第j列因素優(yōu)水平。采用極差分析法分別對(duì)四組數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行處理,可以得到各組土體組合中最不利組合,確定在何種工況下管道的泄漏風(fēng)險(xiǎn)最大[5]。

        由于管道在地震作用下主要發(fā)生軸向的拉壓以及垂直于截面的彎曲變形,這兩種變形都主要產(chǎn)生軸向的拉壓應(yīng)力,因此試驗(yàn)結(jié)果選取管材的最大軸向拉應(yīng)力為試驗(yàn)指標(biāo),同時(shí),對(duì)于不同管材來講,其抗拉能力不盡相同,因此要對(duì)不同工況下的最大軸向拉應(yīng)力進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,即除以該管材的抗拉強(qiáng)度,才能得到實(shí)際管材的變形或者是破壞程度。實(shí)驗(yàn)中鋼材為Q235鋼,取其屈服強(qiáng)度235 MPa,混凝土為C30,取其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.43 MPa,HDPE材料取其抗拉強(qiáng)度25 MPa[6]。

        2.1 第一組土體組合

        2.1.1 試驗(yàn)工況

        2.1.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

        工況一中沿管道方向分別為粉砂5 m、殘積土5 m和粉砂5 m,管道總長度為15 m,管道材料為Q235鋼,地震作用方向?yàn)檠毓艿婪较颉9r二中沿管道方向分別為粉砂25 m、殘積土25 m和粉砂25 m,管道總長度為75 m,管道材料為Q235鋼,地震作用方向?yàn)榇怪庇诠艿狼移叫杏诘孛娣较?,從?shù)值分析可知:

        工況一中管道最大軸向拉應(yīng)力為7.3262 MPa,出現(xiàn)在管道中部的下半部分;

        工況二中管道最大軸向拉應(yīng)力為72.977vMPa,出現(xiàn)在管道中部的下半部分。

        工況三中沿管道方向分別為粉砂50 m、殘積土50 m和粉砂50 m,管道總長度為150 m,管道材料為Q235鋼,地震作用方向?yàn)榇怪庇诘孛娣较?。工況四中沿管道方向分別為粉砂5 m、殘積土25 m和粉砂5 m,管道總長度為35 m,管道材料為C30混凝土,地震作用方向?yàn)榇怪庇诘孛娣较颉?/p>

        工況三中管道最大軸向拉應(yīng)力為46.671 MPa,出現(xiàn)在土體變化處的上半部;

        工況四中管道最大軸向拉應(yīng)力為15.693 MPa,出現(xiàn)在管道端部的上半部。

        工況五中沿管道方向分別為粉砂25 m、殘積土50 m和粉砂25 m,管道總長度為100 m,管道材料為C30混凝土,地震作用方向?yàn)檠毓艿婪较颉9r六中沿管道方向分別為粉砂50 m、殘積土5 m和粉砂50 m,管道總長度為105 m,管道材料為C30混凝土,地震作用方向?yàn)榇怪庇诠艿狼移叫杏诘孛娣较颉?/p>

        工況五中管道最大軸向拉應(yīng)力為19.232 MPa,出現(xiàn)在土體變化處的上半部;endprint

        工況六中管道最大軸向拉應(yīng)力為7.5897 MPa,出現(xiàn)在管道中部的下半部。

        工況七中沿管道方向分別為粉砂5 m、殘積土50 m和粉砂5 m,管道總長度為60 m,管道材料為HDPE,地震作用方向即垂直于管道且平行于地面方向。工況八中沿管道方向分別為粉砂25 m、殘積土5 m和粉砂25 m,管道總長度為55 m,管道材料為HDPE,地震作用方向?yàn)榇怪庇诘孛娣较颉?/p>

        工況七中管道最大軸向拉應(yīng)力為1.7128 MPa,出現(xiàn)在管道端部的上半部;

        工況八中管道最大軸向拉應(yīng)力為0.76483 MPa,出現(xiàn)在土體變化處的上半部。

        工況九中沿管道方向分別為粉砂50 m、殘積土25 m和粉砂50 m,管道總長度為125 m,管道材料為HDPE,地震作用方向?yàn)檠毓艿婪较颉?/p>

        工況九中管道最大軸向拉應(yīng)力為1.4848 MPa,出現(xiàn)在土體變化處的上半部。

        土體組合一試驗(yàn)結(jié)果極差分析見表5。

        因此,在沿管道方向依次為25 m粉砂、50 m殘積土和25 m粉砂的情況下,C30混凝土材料的管道在沿管道方向的地震作用下破壞和泄漏的風(fēng)險(xiǎn)最大。

        2.2 第二組土體組合

        因此,在沿管道方向依次為25 m淤泥、50 m殘積土和25 m淤泥的情況下,C30混凝土材料的管道在沿管道方向的地震作用下破壞的風(fēng)險(xiǎn)最大。

        2.3 第三組土體組合

        因此,在沿管道方向依次為5 m殘積土、25 m粉砂和5 m殘積土的情況下,C30混凝土材料的管道在沿垂直于地面方向的地震作用下破壞的風(fēng)險(xiǎn)最大。

        2.4 第四組土體組合

        因此,在沿管道方向依次為25 m殘積土、25 m淤泥和25 m殘積土的情況下,C30混凝土材料的管道在沿垂直于地面方向的地震作用下破壞的風(fēng)險(xiǎn)最大。

        3 結(jié)語

        由于在不同的工況組合下,地震作用主要引起的是管道的不均勻彎曲變形和軸向的拉壓變形,這些情況均引起管道的軸向應(yīng)力增大,由于混凝土屬于脆性材料,且抗拉強(qiáng)度較低,同時(shí)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)考慮的是混凝土管接口剛性連接,地震作用下很容易使其受到的軸向應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度導(dǎo)致破壞。而鋼材和塑料均為柔性材料,抗拉強(qiáng)度大,因此破壞風(fēng)險(xiǎn)較小。

        綜上所述,在選擇地下管道材料時(shí),盡量選擇鋼管和塑料管這一類柔性材料,其抗拉/抗彎性能好,發(fā)生受拉和受彎破壞的風(fēng)險(xiǎn)較低。選擇混凝土管道時(shí),盡量使用柔性接口,增大其發(fā)生彎曲變形的能力。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 任露泉.試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其優(yōu)化[M].北京:科學(xué)出版社,2009.

        [2] 彭文斌.FLAC3D實(shí)用教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

        [3] 趙林,馮啟民.埋地管線有限元建模方法研究[J].地震工程與工程振動(dòng),2001(2).

        [4] 陳育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].北京:中國水利水電出版社,2013.

        [5] 李志西,杜雙奎.試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)及統(tǒng)計(jì)分析[M].北京:科學(xué)出版社,2010.

        [6] 林均岐,胡明祎.跨越斷層地下管道地震反應(yīng)研究[J].地震工程與工程振動(dòng),2007(5).endprint

        工況六中管道最大軸向拉應(yīng)力為7.5897 MPa,出現(xiàn)在管道中部的下半部。

        工況七中沿管道方向分別為粉砂5 m、殘積土50 m和粉砂5 m,管道總長度為60 m,管道材料為HDPE,地震作用方向即垂直于管道且平行于地面方向。工況八中沿管道方向分別為粉砂25 m、殘積土5 m和粉砂25 m,管道總長度為55 m,管道材料為HDPE,地震作用方向?yàn)榇怪庇诘孛娣较颉?/p>

        工況七中管道最大軸向拉應(yīng)力為1.7128 MPa,出現(xiàn)在管道端部的上半部;

        工況八中管道最大軸向拉應(yīng)力為0.76483 MPa,出現(xiàn)在土體變化處的上半部。

        工況九中沿管道方向分別為粉砂50 m、殘積土25 m和粉砂50 m,管道總長度為125 m,管道材料為HDPE,地震作用方向?yàn)檠毓艿婪较颉?/p>

        工況九中管道最大軸向拉應(yīng)力為1.4848 MPa,出現(xiàn)在土體變化處的上半部。

        土體組合一試驗(yàn)結(jié)果極差分析見表5。

        因此,在沿管道方向依次為25 m粉砂、50 m殘積土和25 m粉砂的情況下,C30混凝土材料的管道在沿管道方向的地震作用下破壞和泄漏的風(fēng)險(xiǎn)最大。

        2.2 第二組土體組合

        因此,在沿管道方向依次為25 m淤泥、50 m殘積土和25 m淤泥的情況下,C30混凝土材料的管道在沿管道方向的地震作用下破壞的風(fēng)險(xiǎn)最大。

        2.3 第三組土體組合

        因此,在沿管道方向依次為5 m殘積土、25 m粉砂和5 m殘積土的情況下,C30混凝土材料的管道在沿垂直于地面方向的地震作用下破壞的風(fēng)險(xiǎn)最大。

        2.4 第四組土體組合

        因此,在沿管道方向依次為25 m殘積土、25 m淤泥和25 m殘積土的情況下,C30混凝土材料的管道在沿垂直于地面方向的地震作用下破壞的風(fēng)險(xiǎn)最大。

        3 結(jié)語

        由于在不同的工況組合下,地震作用主要引起的是管道的不均勻彎曲變形和軸向的拉壓變形,這些情況均引起管道的軸向應(yīng)力增大,由于混凝土屬于脆性材料,且抗拉強(qiáng)度較低,同時(shí)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)考慮的是混凝土管接口剛性連接,地震作用下很容易使其受到的軸向應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度導(dǎo)致破壞。而鋼材和塑料均為柔性材料,抗拉強(qiáng)度大,因此破壞風(fēng)險(xiǎn)較小。

        綜上所述,在選擇地下管道材料時(shí),盡量選擇鋼管和塑料管這一類柔性材料,其抗拉/抗彎性能好,發(fā)生受拉和受彎破壞的風(fēng)險(xiǎn)較低。選擇混凝土管道時(shí),盡量使用柔性接口,增大其發(fā)生彎曲變形的能力。

        參考文獻(xiàn)

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        [3] 趙林,馮啟民.埋地管線有限元建模方法研究[J].地震工程與工程振動(dòng),2001(2).

        [4] 陳育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].北京:中國水利水電出版社,2013.

        [5] 李志西,杜雙奎.試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)及統(tǒng)計(jì)分析[M].北京:科學(xué)出版社,2010.

        [6] 林均岐,胡明祎.跨越斷層地下管道地震反應(yīng)研究[J].地震工程與工程振動(dòng),2007(5).endprint

        工況六中管道最大軸向拉應(yīng)力為7.5897 MPa,出現(xiàn)在管道中部的下半部。

        工況七中沿管道方向分別為粉砂5 m、殘積土50 m和粉砂5 m,管道總長度為60 m,管道材料為HDPE,地震作用方向即垂直于管道且平行于地面方向。工況八中沿管道方向分別為粉砂25 m、殘積土5 m和粉砂25 m,管道總長度為55 m,管道材料為HDPE,地震作用方向?yàn)榇怪庇诘孛娣较颉?/p>

        工況七中管道最大軸向拉應(yīng)力為1.7128 MPa,出現(xiàn)在管道端部的上半部;

        工況八中管道最大軸向拉應(yīng)力為0.76483 MPa,出現(xiàn)在土體變化處的上半部。

        工況九中沿管道方向分別為粉砂50 m、殘積土25 m和粉砂50 m,管道總長度為125 m,管道材料為HDPE,地震作用方向?yàn)檠毓艿婪较颉?/p>

        工況九中管道最大軸向拉應(yīng)力為1.4848 MPa,出現(xiàn)在土體變化處的上半部。

        土體組合一試驗(yàn)結(jié)果極差分析見表5。

        因此,在沿管道方向依次為25 m粉砂、50 m殘積土和25 m粉砂的情況下,C30混凝土材料的管道在沿管道方向的地震作用下破壞和泄漏的風(fēng)險(xiǎn)最大。

        2.2 第二組土體組合

        因此,在沿管道方向依次為25 m淤泥、50 m殘積土和25 m淤泥的情況下,C30混凝土材料的管道在沿管道方向的地震作用下破壞的風(fēng)險(xiǎn)最大。

        2.3 第三組土體組合

        因此,在沿管道方向依次為5 m殘積土、25 m粉砂和5 m殘積土的情況下,C30混凝土材料的管道在沿垂直于地面方向的地震作用下破壞的風(fēng)險(xiǎn)最大。

        2.4 第四組土體組合

        因此,在沿管道方向依次為25 m殘積土、25 m淤泥和25 m殘積土的情況下,C30混凝土材料的管道在沿垂直于地面方向的地震作用下破壞的風(fēng)險(xiǎn)最大。

        3 結(jié)語

        由于在不同的工況組合下,地震作用主要引起的是管道的不均勻彎曲變形和軸向的拉壓變形,這些情況均引起管道的軸向應(yīng)力增大,由于混凝土屬于脆性材料,且抗拉強(qiáng)度較低,同時(shí)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)考慮的是混凝土管接口剛性連接,地震作用下很容易使其受到的軸向應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度導(dǎo)致破壞。而鋼材和塑料均為柔性材料,抗拉強(qiáng)度大,因此破壞風(fēng)險(xiǎn)較小。

        綜上所述,在選擇地下管道材料時(shí),盡量選擇鋼管和塑料管這一類柔性材料,其抗拉/抗彎性能好,發(fā)生受拉和受彎破壞的風(fēng)險(xiǎn)較低。選擇混凝土管道時(shí),盡量使用柔性接口,增大其發(fā)生彎曲變形的能力。

        參考文獻(xiàn)

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        [2] 彭文斌.FLAC3D實(shí)用教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

        [3] 趙林,馮啟民.埋地管線有限元建模方法研究[J].地震工程與工程振動(dòng),2001(2).

        [4] 陳育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].北京:中國水利水電出版社,2013.

        [5] 李志西,杜雙奎.試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)及統(tǒng)計(jì)分析[M].北京:科學(xué)出版社,2010.

        [6] 林均岐,胡明祎.跨越斷層地下管道地震反應(yīng)研究[J].地震工程與工程振動(dòng),2007(5).endprint

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