儲(chǔ)陽(yáng)華

(東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院 黑龍江 大慶 163318)

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地震作用下跨斷層管道破壞評(píng)述

儲(chǔ)陽(yáng)華

(東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院 黑龍江 大慶 163318)

為進(jìn)一步分析長(zhǎng)跨越地下管道的抗震性能，首先進(jìn)行了結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)特性分析，為抗震研究提供參考依據(jù)。應(yīng)用ANSYS軟件，建立了一個(gè)21米桁架式跨越輸油管道模型，分析了桁架結(jié)構(gòu)體系在無管道，有管空管、有管滿液三種工況下的動(dòng)特性。結(jié)果表明:三種工況下，自振頻率接近，但是隨著質(zhì)量的增加，振型變化相對(duì)明顯;第四階振型隨著質(zhì)量的改變，變化最為明顯，管道與桁架的接觸部位是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，需要進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

地震；斷層管道

一、引言

現(xiàn)代社會(huì)中，管道工程已成為促進(jìn)社會(huì)發(fā)展重要的生命線工程組成部分[1-5]，隨著各國(guó)家和地區(qū)人口的增加、經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，管道的作業(yè)方式也發(fā)生了變化，不在是單一的用于能源運(yùn)輸，管道成為了城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不可缺少部分。目前，管道已被用于多領(lǐng)域當(dāng)中，例如石油運(yùn)輸、然氣輸送、城鎮(zhèn)給排水、供暖工程等。管道的應(yīng)用與現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、居民生活緊密聯(lián)系，成為了城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的生命線。管道能夠得到廣泛的應(yīng)用和推廣與其自身的優(yōu)點(diǎn)緊密聯(lián)系，比如降低了環(huán)境破壞程度、帶來的污染物少、資源運(yùn)輸量大、占用土地面積少、作業(yè)費(fèi)用低和熱損失小等益處，故在現(xiàn)代生活中將其多應(yīng)用在長(zhǎng)距離能源輸送，如我國(guó)的“西氣東輸”、“南水北調(diào)”等工程中管道為主要的能源輸送工具。隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，管道已近與居民生活密不可分，每年城鎮(zhèn)新建市政工程和輸油氣管道的工程量達(dá)到數(shù)十萬(wàn)公里。管道是否能正常作業(yè)關(guān)系到居民生活和工業(yè)生產(chǎn)者兩大方面，換句話說，管道的正常作業(yè)對(duì)維護(hù)公共財(cái)產(chǎn)和安全起到了非常重要的地位。

最近幾年，全球發(fā)生多起自然災(zāi)害，地震在自然災(zāi)害中發(fā)生最頻繁，地震給管道自身帶來了嚴(yán)重破壞，同事還會(huì)發(fā)生次生災(zāi)害，如海洋污染、核泄漏、爆炸等，自然災(zāi)害不僅給各個(gè)國(guó)家和地區(qū)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，還嚴(yán)重的威脅到人類的生命安全。

二、管道破壞原因

1.當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，土壤由于地震的作用發(fā)生破壞，土壤相互間喪失了連續(xù)性與土壤整體性，接著致使地質(zhì)發(fā)生破壞，常見的破壞形式如：沙土液化、土體滑坡、泥石流、山體崩塌崩、地裂等，使得管道發(fā)生破壞。

2.當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，土壤依舊保持著連續(xù)性和整體性，并沒有發(fā)生嚴(yán)重破壞，但是由于地震波的作用，土壤發(fā)生嚴(yán)重變形，進(jìn)而使得管道發(fā)生較大的變形，更為嚴(yán)重的是使管道直接發(fā)生破壞。

三、跨斷層管道主要抗震對(duì)策

根據(jù)埋地管線在斷層作用下容易發(fā)生破壞，以及地震災(zāi)害對(duì)地區(qū)產(chǎn)生的巨大危害性，我們有必要采取有效措施來提高和保證埋地管線的抗震安全性。目前跨斷層管道抗震對(duì)策主要包括下面內(nèi)容。

1.管道埋置避開活斷層地帶。當(dāng)管道必須通過活動(dòng)斷層時(shí)，需要根據(jù)活斷層文獻(xiàn)和地震安全性評(píng)價(jià)進(jìn)行抗震設(shè)防，選擇合理的管—斷層夾角。由于長(zhǎng)距離管線避開活動(dòng)斷層非常困難，當(dāng)了解斷層走向，通過選擇合理的管道和斷層的交角，這可以使得管道避免受到斷層錯(cuò)動(dòng)帶來的壓力。

2.管道淺埋。當(dāng)管道埋置較淺時(shí)，土體對(duì)管道的壓力和摩擦角都減小，此時(shí)在斷層錯(cuò)動(dòng)下管道易于發(fā)生變形，但不易破壞。對(duì)于會(huì)發(fā)生大位移錯(cuò)動(dòng)的斷層處，通過砌筑管溝或地表敷設(shè)，同時(shí)保證管道可以做橫向震動(dòng)和縱向的震動(dòng)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究，對(duì)于活動(dòng)斷層處管道的埋置深度應(yīng)小于10m。減小管土接觸面摩擦角可提高埋地管線承受斷層大位移的能力，減小管土摩擦角的方法可以給管道加一層外套，比如將環(huán)氧樹脂套層使用在斷層處的管道。在水平荷載的作用下會(huì)致使沙土被壓實(shí)，在這一過程中，管土間的摩擦角在不斷地增加，其所帶來的最大管力和沙土對(duì)管道產(chǎn)生的壓力相同。故減小摩擦角是有必要且有效的措施，減少摩擦角在土壤對(duì)管道軸向抗力方向作用明顯，對(duì)于管道圓周方向抗力沒多大改變。

3.采用延性好和強(qiáng)度高的管材。通過利用抗震性能好的管材，材料延性好，其可承受較大的允許拉應(yīng)變。由于管道的壓縮允許應(yīng)變值和壁厚是正比例關(guān)系，故選擇延性大的管道類型。通過一定量的增加管道厚度，可提高管道抗震性能。例如，采用厚度為14mm管道和10mm厚度的管道相比，前者適應(yīng)斷層錯(cuò)動(dòng)的能力是后者的1.4倍。

4.使用土體摩擦系數(shù)μ低、土容重γ低的回填土。通常認(rèn)為，管線穿越活動(dòng)斷層處選用的回填土應(yīng)為中等密度和無粘性的土壤。

5.實(shí)際錨固點(diǎn)要與活動(dòng)斷層有一定距離。疆良將固定墩設(shè)置在遠(yuǎn)離活動(dòng)斷層處，每側(cè)至少距離斷層1.5Le(Li)～2.0Le(Li)。其中，Le為管道彈性部分的滑動(dòng)長(zhǎng)度，Li為斷層一側(cè)管道的滑動(dòng)長(zhǎng)度。當(dāng)管道擁有一定范圍的允許錯(cuò)動(dòng)位移，可以避免管道發(fā)生橫向剪切破壞。

[1]中國(guó)科學(xué)院工程力學(xué)研究所，海城地震震害[M].北京：地震出版社，1979.

[2]李鵬程，徐鳳萍.中國(guó)生命線工程抗震研究發(fā)展簡(jiǎn)況.第五屆全國(guó)地震工程會(huì)議，中國(guó)地震學(xué)會(huì),1998.

[3]朱傳鎮(zhèn)，劉蒲雄，葉洪.美國(guó)加州洛馬普列塔7.1級(jí)地震概況[J].國(guó)際地震動(dòng)態(tài)，1990，05：8-14.

[4]朱榮華，邵卓民.日本阪神大地震的震害概況[J].工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化，1995，02：34-37.

[5]錢搖琨.生命線工程網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)抗震可靠性分析[D].同濟(jì)大學(xué)，2006.

儲(chǔ)陽(yáng)華(1991-)，男，安徽合肥人，東北石油大學(xué)研究生，研究方向：防震減災(zāi)工程。