陳佳++鄭歸++謝莉

摘 要：本文介紹了目前國(guó)內(nèi)外埋地供水管道的多種地震反應(yīng)分析方法，并結(jié)合實(shí)際管道施工中的實(shí)例，比較了各種分析方法的計(jì)算結(jié)果，最后運(yùn)用ANSYS有限元軟件對(duì)管道與土壤環(huán)境進(jìn)行了仿真模擬，得出了有限元分析結(jié)果，通過(guò)比較有限元分析結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證管道地震反應(yīng)分析方法的可行性，為有限元法在埋地管道地震反應(yīng)分析中的應(yīng)用起到了推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞：供水管道 地震 ANSYS

中圖分類(lèi)號(hào)：TU352 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）10（a）-0062-02

對(duì)于埋地供水管道的地震反應(yīng)，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]介紹了埋地管道地震反應(yīng)分析的簡(jiǎn)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(yīng)變等于土壤軸向應(yīng)變。經(jīng)分析，當(dāng)?shù)卣鸩ㄈ肷浣?45°時(shí)，管道地震反應(yīng)有最大值。實(shí)際上地震波入射角對(duì)于管土間相互作用影響顯著，簡(jiǎn)化法未充分考慮地震波入射角的影響，僅認(rèn)為=45°時(shí)，管道地震反應(yīng)取最大值，鑒于簡(jiǎn)化法分析的局限性，研究文獻(xiàn)[1]提出了基于地震波入射角的簡(jiǎn)化法?！妒彝饨o水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》[2]GB50032-2003認(rèn)為埋地供水管道在地震波入射角為45°時(shí)，地震反應(yīng)取得最大值，且認(rèn)為管土間是完全彈性連接的，提出了埋地管道地震反應(yīng)的規(guī)范計(jì)算公式。

本文介紹了3種埋地供水管道的地震反應(yīng)分析法，并運(yùn)用ANSYS有限元軟件對(duì)管土之間相互作用進(jìn)行了仿真分析，通過(guò)比較理論分析和有限元分析結(jié)果，論證地震反應(yīng)有限元分析法是準(zhǔn)確且可行的。

1 埋地供水管道地震反應(yīng)分析

1.1 簡(jiǎn)化法

在地震作用下，假定管道與周?chē)恋匕l(fā)生同步變形，管道自身軸向應(yīng)變等于土體應(yīng)變，當(dāng)?shù)卣鸩ㄈ肷浣菫?5。，管道軸向應(yīng)變達(dá)到最大值[1]。

式中，為土壤振動(dòng)速度幅值，一般取地震動(dòng)小區(qū)劃給出的地震動(dòng)速度峰值，見(jiàn)表1；CS為管道埋設(shè)深度處土層的剪切波速（m/s）。

實(shí)際上，管道與土壤間存在相對(duì)滑動(dòng)，為了考慮滑移對(duì)管道應(yīng)變的影響，引入管道軸向位移傳遞系數(shù)，管道軸向最大應(yīng)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(jiǎn)化法

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

式中，E為土壤管道彈性模量；T為場(chǎng)地自振周期；a為地震地面運(yùn)動(dòng)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(shù)，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(yīng)力隨地震波入射角的變化而變化，當(dāng)=45°時(shí)，不一定取最大值。

1.3 抗震規(guī)范法

《室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》[2]GB50032-2003給出了埋地供水管道在地震波作用下的規(guī)范計(jì)算式。

剪切波行進(jìn)時(shí)管道埋深處的土體最大水平位移標(biāo)準(zhǔn)值，按下式計(jì)算：

式中，KH為設(shè)計(jì)基本地震加速度與重力加速度的比值，見(jiàn)表2；g為重力加速度；Tg為管道埋設(shè)場(chǎng)地的特征周期（S）。

管道軸向的位移傳遞系數(shù)可按下式計(jì)算：

式中，Vsp為管道埋設(shè)深度處土層的剪切波速（m/s），一般取實(shí)測(cè)剪切波速的2/3；Up為管道單位長(zhǎng)度的外緣表面積（mm2/mm），對(duì)無(wú)剛性管基的圓管，為（D為管外徑）；當(dāng)設(shè)置剛性管基時(shí)，即為包括管基在內(nèi)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(yīng)變量標(biāo)準(zhǔn)值為：

2 埋地供水管道實(shí)例計(jì)算

某高校欲建一棟綜合樓，埋地供水管道的參數(shù)是：管徑500mm，壁厚10mm，材質(zhì)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(chǎng)地類(lèi)別為二類(lèi)，場(chǎng)地土壤密度為ρ=2000kg/m?，土壤剪切模量G=300MPa，震動(dòng)幅值A(chǔ)=4×10-3m，場(chǎng)地土剪切波速Vs=400m/s，場(chǎng)地卓越周期Tm=0.5s，地震波長(zhǎng)L=200m，場(chǎng)地地震烈度Ⅶ度，地震時(shí)，地面運(yùn)動(dòng)加速度a=1.6m/s2，計(jì)算地震作用下管道軸向最大應(yīng)力。

采用本文介紹的管道軸向最大應(yīng)力3種計(jì)算方法，結(jié)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(shí)體模型。用Solid實(shí)體單元建立一根15m長(zhǎng)的空心圓柱形長(zhǎng)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(duì)管道實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖1所示。

土彈簧系數(shù)的選取會(huì)直接影響到ANSYS有限元分析的結(jié)果，本次分析直接選用實(shí)例中的土彈簧系數(shù)，依據(jù)抗震規(guī)范法，土彈簧系數(shù)為：

K1=UPK1=3.14×500×0.06=94.2MPa

相關(guān)文獻(xiàn)表明，選用3條、5條地震波輸入可確保管土間地震反應(yīng)分析的準(zhǔn)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(guò)用APDL命令指定結(jié)構(gòu)的時(shí)間-加速度歷程，有限元分析結(jié)果如表4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

從理論計(jì)算和有限元分析結(jié)果可以看出，埋地供水管道的軸向最大應(yīng)力計(jì)算是正確的。本文中的理論分析法對(duì)管道與土壤環(huán)境之間相互作用，在一定程度上或多或少進(jìn)行了簡(jiǎn)化，因而計(jì)算結(jié)果相對(duì)于ANSYS有限元算法結(jié)果偏大。在以后的埋地供水管道地震反應(yīng)分析中，可采用ANSYS有限元法進(jìn)行分析，能得到更準(zhǔn)確的數(shù)值。

參考文獻(xiàn)

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

[2] GB 50032-2003，室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 吳奎.城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)的抗震可靠性分析[D].華中科技大學(xué)，2011.endprint