埋地供水管道的地震反应研究.docx

埋地供水管道的地震反应研究 摘 要：本文介绍了目前国内外埋地供水管道的多种地震反应分析方法，并结合实际管道施工中的实例，比较了各种分析方法的计算结果，最终运用ANSYS有限元软件对管道与土壤环境进行了仿真模拟，得出了有限元分析结果，通过比较有限元分析结果和理论计算结果，进一步验证管道地震反应分析方法的可行性，为有限元法在埋地管道地震反应分析中的应用起到了推动作用。 关键词：供水管道 地震 ANSYS 中图分类号：TU352 文献标识码：A 文章编号：1673-3791（2022）10（a）-0062-02 对于埋地供水管道的地震反应，很多国内外学者做了相关探讨。文献1介绍了埋地管道地震反应分析的简化法，假定管道与土壤之间同步变形，在地震作用下，埋地管道轴向应变等于土壤轴向应变。经分析，当地震波入射角=45°时，管道地震反应有最大值。事实上地震波入射角对于管土间相互作用影响显著，简化法未充分考虑地震波入射角的影响，仅认为=45°时，管道地震反应取最大值，鉴于简化法分析的局限性，探讨文献1提出了基于地震波入射角的简化法。室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范2GB50032-2003认为埋地供水管道在地震波入射角为45°时，地震反应取得最大值，且认为管土间是完全弹性连接的，提出了埋地管道地震反应的规范计算公式。 本文介绍了3种埋地供水管道的地震反应分析法，并运用ANSYS有限元软件对管土之间相互作用进行了仿真分析，通过比较理论分析和有限元分析结果，论证地震反应有限元分析法是精确且可行的。 1 埋地供水管道地震反应分析 1.1 简化法 在地震作用下，假定管道与四周土地发生同步变形，管道自身轴向应变等于土体应变，当地震波入射角为45。，管道轴向应变达到最大值1。 式中，为土壤振动速度幅值，一般取地振动小区划给出的地振动速度峰值，见表1；CS为管道埋设深度处土层的剪切波速（m/s）。 事实上，管道与土壤间存在相对滑动，为了考虑滑移对管道应变的影响，引入管道轴向位移传递系数，管道轴向最大应力为： 式中，E为土壤管道弹性模量。 1.2 基于地震波入射角的简化法 综合考虑地震波入射角、管土相互作用及地震地面运动加速度的状况下，管道轴向最大应力为1： 式中，E为土壤管道弹性模量；T为场地自振周期；a为地震地面运动加速度（m/s2）；为地震波入射角；VS为剪切波速；D为管道外径；为管壁厚度；K为管道视为地基梁的轴向弹簧系数，取为0.66G；G为地基上的剪切模量。 从上式可以看出，管道最大轴向应力随地震波入射角的改变而改变，当=45°时，不肯定取最大值。 1.3 抗震规范法 室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范2GB50032-2003给出了埋地供水管道在地震波作用下的规范计算式。 剪切波行进时管道埋深处的土体最大水平位移标准值，按下式计算： 式中，KH为设计基本地震加速度与重力加速度的比值，见表2；g为重力加速度；Tg为管道埋设场地的特征周期（S）。 管道轴向的位移传递系数可按下式计算： 式中，Vsp为管道埋设深度处土层的剪切波速（m/s），一般取实测剪切波速的2/3；Up为管道单位长度的外缘表面积（mm2/mm），对无刚性管基的圆管，为（D为管外径）；当设置刚性管基时，即为包括管基在内的外缘面积；k1为沿管轴方向土地的单位面积弹性抗力（N/mm3），一般可采纳0.06N/mm3；A为管道的横截面积（mm2）。 在水平地震作用下，整体焊接钢管的最大应变量标准值为： 2 埋地供水管道实例计算 某高校欲建一栋综合楼，埋地供水管道的参数是：管径500mm，壁厚10mm，材质为球墨铸铁管，弹性模量为E=1.5×105MPa，管道埋深2m，管道所在场地类别为二类，场地土壤密度为=2000kg/m³，土壤剪切模量G=300MPa，振动幅值A=4×10-3m，场地土剪切波速Vs=400m/s，场地卓越周期Tm=0.5s，地震波长L=200m，场地地震烈度度，地震时，地面运动加速度a=1.6m/s2，计算地震作用下管道轴向最大应力。 采纳本文介绍的管道轴向最大应力3种计算方法，结果如表3所示。 3 地震有限元分析 用ANSYS有限元软件，建立管道和土体的实体模型。用Solid实体单元建立一根15m长的空心圆柱形长管，管道外径500mm，管道壁厚10mm。 管土间的相互作用采纳Combin14弹簧单元模拟，Combin14弹簧单元是一种单向弹簧单元，主要承受轴向拉压作用。用ANSYS软件对管道实体模型进行网格划分如图1所示。 土弹簧系数的选取会干脆影响到ANSYS有限元分析的结果，本次分析干脆选用实例中的土弹簧系数，依据抗震规范法，土弹簧系数为： K1=UPK1=3.14×500×0.06=94.2MPa 相关文献表明，选用3条、5条地震波输入可确保管土间地震反应分析的精确性，本文选用EL_Centro波、Taft波及上海人工波3条闻名的地震波。地震波的施加通过用APDL吩咐指定结构的时间-加速度历程，有限元分析结果如表4所示。 4 结语 从理论计算和有限元分析结果可以看出，埋地供水管道的轴向最大应力计算是正确的。本文中的理论分析法对管道与土壤环境之间相互作用，在肯定程度上或多或少进行了简化，因而计算结果相对于ANSYS有限元算法结果偏大。在以后的埋地供水管道地震反应分析中，可采纳ANSYS有限元法进行分析，能得到更精确的数值。 参考文献 1姜华.埋地管道在地震波作用下的响应分析D.华中科技高校，2022. 2GB 50032-2003，室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范S. 3吳奎.城市供水管网系统的抗震牢靠性分析D.华中科技高校，2022. 第5页 共5页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页