邵 磊， 余 成， 盧松梅， 張 虎， 黃子川， 袁洪強(qiáng)*

(1.葛洲壩城北快速路投資建設(shè)有限公司,湖北 荊州 434001；2.長(zhǎng)江大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)在油氣運(yùn)輸領(lǐng)域廣泛利用長(zhǎng)輸管道的方式為不同的區(qū)域提供必要的能源[1-3]。然而管道服役在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中時(shí)，容易遭受各種地質(zhì)災(zāi)害的侵害，造成管道意外懸空。在地震荷載作用下，懸空管道比埋地管道更容易產(chǎn)生局部變形甚至破壞。因此,研究懸空管道在地震作用下的地震響應(yīng)具有現(xiàn)實(shí)意義與價(jià)值[4-6]。近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)懸空管道地震響應(yīng)的研究主要從理論研究與數(shù)值模擬兩個(gè)方面開展。在理論研究方面，Hindy等[7]基于管道集中質(zhì)量模型，并假定土體由兩種具有均勻或垂直邊界分離的土體組成的基礎(chǔ)上，建立靜態(tài)和動(dòng)態(tài)連續(xù)理論，研究行波對(duì)管道的彎曲和軸向應(yīng)力的影響，分析結(jié)果可知，考慮管-土相互作用能有效降低均勻介質(zhì)中管道的應(yīng)力；王海波等[8]重點(diǎn)探討處于半無限空間彈性介質(zhì)內(nèi)的管-土相互作用，并在研究過程中引入邊界單元法，研究結(jié)果表明，當(dāng)管道埋深越大時(shí)，相互作用的程度會(huì)逐漸降低；在一定的地震波頻率內(nèi)，埋地管道不會(huì)發(fā)生明顯的共振反應(yīng)，反而由于管-土相互作用致使管體位移減小。其后武立偉等[9-11]進(jìn)一步開展研究，推動(dòng)懸空管道的地震響應(yīng)理論研究漸趨完善。在數(shù)值模擬方面，蓋麗華[12]綜合考慮幾何以及材料非線性等因素，利用ABAQUS建立管道的實(shí)體非線性接觸模型來研究埋地管道在大位移作用下的受力反應(yīng)。研究結(jié)果表明：埋地管道在大位移作用下，管道呈現(xiàn)出顯著的非線性特征。廖恒等[13]針對(duì)懸空管道的動(dòng)力響應(yīng)特征進(jìn)行了深入研究，并通過ABAQUS軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬，探討了不同因素對(duì)懸空管道動(dòng)力響應(yīng)的影響，研究結(jié)果表明，在地震荷載作用下懸空長(zhǎng)度和管徑對(duì)山地懸空管道的動(dòng)力響應(yīng)影響最大。雷震等[14]利用ABAQUS有限元軟件對(duì)懸空長(zhǎng)輸管道在地震荷載作用下的應(yīng)力狀況和變形特征進(jìn)行研究，分析了不同參數(shù)對(duì)懸空管道地震響應(yīng)的影響，研究成果能夠?yàn)閼铱展艿赖木S護(hù)以及管理提供一定的參考依據(jù)。

國(guó)內(nèi)外在懸空管道地震響應(yīng)理論研究方面已經(jīng)較為成熟，但理論研究通?；诟鞣N假設(shè)，且較多理論研究參數(shù)取值過于保守，與實(shí)際工程有一定差異。數(shù)值模擬研究雖然能夠通過合理建模來模擬實(shí)際工程中懸空管道的地震響應(yīng)，但需要試驗(yàn)的論證才能使所得結(jié)論具有說服力，而懸空管道的地震響應(yīng)試驗(yàn)研究相對(duì)較少。因此，本文以懸空管道為研究對(duì)象，通過縮尺試驗(yàn)的方法，研究在地震荷載作用下懸空管道的響應(yīng)規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)的目的是對(duì)懸空管道進(jìn)行擬動(dòng)力試驗(yàn)，模擬地震對(duì)管道的作用，通過對(duì)不同的試件在不同加載工況下的應(yīng)變反應(yīng)進(jìn)行分析，研究懸空長(zhǎng)度、埋深及管徑等不同因素對(duì)懸空管道地震響應(yīng)的影響。本試驗(yàn)基于彈性相似律和重力相似律這兩種在結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)中常用的相似律[15-16]，同時(shí)參考文獻(xiàn)[17-19]確定模型試驗(yàn)的相似比關(guān)系為1∶15，從而設(shè)計(jì)出9根懸空管道試件，試件分組見表1。管道尺寸分別為32 mm×2 mm和42 mm×2 mm，管道隨懸空長(zhǎng)度的不同將其長(zhǎng)度設(shè)置為3 000、4 000、5 000 mm。本次試驗(yàn)對(duì)實(shí)際工程中的懸空管道進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化模型如圖1所示。由此，完成了懸空管道試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)，其基本結(jié)構(gòu)可以參考圖2，試驗(yàn)裝置由兩個(gè)土箱(長(zhǎng)×寬×高為1 500 mm×1 000 mm×1 100 mm)和一個(gè)錯(cuò)動(dòng)盤組成。

表1 試件參數(shù)

圖1 簡(jiǎn)化模型圖Fig.1 Simplified model drawing

圖2 試驗(yàn)裝置圖Fig.2 Diagram of the test device

1.2 材料材性

試驗(yàn)土體為粉質(zhì)黏土，對(duì)土體取樣進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)得出其性能參數(shù)見表2。試驗(yàn)管道為鍍鋅管道，其力學(xué)性能如表3所示。

表2 土樣參數(shù)Tab.2 Mechanical properties of soil samples

表3 管道力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of pipes

1.3 試驗(yàn)量測(cè)與加載

本試驗(yàn)采用擬動(dòng)力加載方式，通過作動(dòng)器給振動(dòng)臺(tái)施加位移從而使兩個(gè)箱體產(chǎn)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)懸空管道在地震作用下的大位移條件加載。試驗(yàn)采用天津波加載，試驗(yàn)加載工況見表4。試驗(yàn)采集系統(tǒng)主要由DH5908動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀、INV9828傳感器及DASP軟件構(gòu)成，詳見圖3。試驗(yàn)量測(cè)采用電阻式應(yīng)變片，管道跨中截面布置2個(gè)應(yīng)變片，管道懸空段和埋土段交界處對(duì)稱布置16個(gè)應(yīng)變片，同時(shí)定義靠近MTS-液壓加載系統(tǒng)的管側(cè)為管前，管道右側(cè)測(cè)點(diǎn)距離跨中截面的距離為正，詳見圖4。

圖3 試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)Fig.3 Test measurement system

圖4 應(yīng)變片布置圖Fig.4 Strain gauge layout

表4 試驗(yàn)加載工況Tab.4 Test loading conditions

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 懸空長(zhǎng)度的影響

為了研究不同懸空長(zhǎng)度對(duì)懸空管道地震響應(yīng)的影響，對(duì)S-2、S-5、S-8三根試件進(jìn)行2種工況下的加載試驗(yàn)，繪制圖5—圖7的三根試件在不同加載工況下的管道各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變分布圖。從圖中可以看出，在地震荷載作用下，以管道懸空段中心為對(duì)稱軸，管道應(yīng)變呈反對(duì)稱分布在管道的兩側(cè)，管道的峰值應(yīng)變出現(xiàn)在懸空管道的懸空段與土體交界處附近。改變懸空長(zhǎng)度對(duì)懸空管道應(yīng)變分布趨勢(shì)幾乎無影響，但對(duì)管道峰值應(yīng)變出現(xiàn)的位置有影響。將管道的應(yīng)變峰值與懸空長(zhǎng)度的關(guān)系繪制出曲線，如圖8所示。由圖可知，懸空長(zhǎng)度由1 500 mm增加到1 750 mm時(shí),管道的峰值應(yīng)變?cè)龃竺黠@,懸空長(zhǎng)度由1 750 mm增加到2 000 mm時(shí)，峰值應(yīng)變?cè)黾拥姆冉档?，峰值?yīng)變整體上隨著懸空長(zhǎng)度的增加而增加。此外，隨懸空長(zhǎng)度的增加，改變加速度工況，對(duì)管道的峰值應(yīng)變影響較小。這是因?yàn)樘旖虿虞d工況對(duì)應(yīng)著大位移條件,隨懸空長(zhǎng)度的增加, 管道的側(cè)向變形會(huì)增加,導(dǎo)致管道的拉壓應(yīng)變值的增加。

圖5 試件S-2在工況1、2沿管軸應(yīng)變分布Fig.5 Strain distribution along the tube axis of specimen S-2 under working conditions 1 and 2

圖6 試件S-5在工況1、2沿管軸應(yīng)變分布Fig.6 Strain distribution along the tube axis of specimen S-5 under working conditions1 and 2

圖7 試件S-8在工況1、2沿管軸應(yīng)變分布Fig.7 Strain distribution along the tube axis of specimen S-8 under working conditions 1 and 2

圖8 懸空長(zhǎng)度與管道應(yīng)變關(guān)系Fig.8 Relationship between suspended length and pipeline strain

2.2 埋深的影響

為了研究不同埋深對(duì)懸空管道的影響，對(duì)300 mm和600 mm兩種埋深的試件進(jìn)行2種加載工況下的試驗(yàn)。將在2種加載工況下管道應(yīng)變峰值與埋深的關(guān)系繪制成曲線，如圖9所示。由圖可知，相同懸空長(zhǎng)度條件下,埋深由300 mm增加到600 mm，管道的峰值應(yīng)變明顯增大。同時(shí)改變懸空長(zhǎng)度，對(duì)管道的峰值應(yīng)變隨著埋深增加的趨勢(shì)幾乎無影響。這是由于埋深的增加導(dǎo)致土體作用在管道上的土壓力和摩檫力增加，管道周圍土體對(duì)管道的約束作用增強(qiáng)，是管道的峰值應(yīng)變?cè)龃蟆?/p>

圖9 埋深與管道應(yīng)變關(guān)系Fig.9 Relationship between buried depth and pipeline strain

2.3 管徑的影響

為了研究不同管徑對(duì)懸空管道的影響，對(duì)32 mm和42 mm兩種直徑的試件進(jìn)行2種加載工況下的試驗(yàn)。將在2種加載工況下管道應(yīng)變峰值與管徑的關(guān)系繪制成曲線，由圖10可知,相同懸空長(zhǎng)度下，管道的峰值應(yīng)變隨管徑的增大而降低，但應(yīng)變?cè)黾臃戎饾u降低。這是由于管道直徑的增加,管道的截面慣性矩隨之增大,管道剛度增加,管道截面抵抗變形的能力增強(qiáng),所以管道的應(yīng)變反應(yīng)減小。此外,管徑的增大雖然也會(huì)增加管道與土壤的接觸面積,導(dǎo)致管道周圍土體對(duì)管道的約束作用增大，但管徑變較小時(shí)這一部分土體的約束相較于管道剛度變化的影響較小。

圖10 管徑與管道應(yīng)變關(guān)系Fig.10 Relationship between pipe diameter and pipeline strain

3 結(jié)論

1)在地震荷載作用下，隨著埋深的增大，管道周圍土體對(duì)管道的約束作用增強(qiáng)且管道受到的摩擦力增大，從而限制了管道位移，導(dǎo)致管道的峰值應(yīng)大。因此，在實(shí)際施工中，管道選擇淺埋，會(huì)使懸空管道在地震荷載作用下不易破壞。

2)在大位移條件下，隨懸空長(zhǎng)度的增加，管道的峰值應(yīng)變隨之增大。管道工作在容易發(fā)生橫向大位移的服役環(huán)境時(shí)，應(yīng)當(dāng)降低懸空長(zhǎng)度來保證管道的安全運(yùn)行。

3)隨著管徑的增加，管道的峰值應(yīng)變呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，并且在不同的懸空長(zhǎng)度下，應(yīng)變的反應(yīng)規(guī)律也保持一致。在實(shí)際工程施工過程中，應(yīng)盡量選擇大口徑的管道，有利于降低地震荷載作用下懸空管道的影響。