跨越断层的钢制埋地管道响应数值模拟研究.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月世 界 地 震 工 程 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金()山东省自然科学基金资助项目()作者简介:张如林()男博士副教授主要从事土结相互作用及埋地管道抗震方面的研究:.通信作者:蒋 城()男硕士研究生主要从事土结相互作用及埋地管道抗震方面的研究:.文章编号:():./.跨越断层的钢制埋地管道响应数值模拟研究张如林蒋 城李 帅张忠涛(中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院 山东 青岛)摘 要:以西气东输二线工程为背景基于 有限元软件建立了走滑逆断层条件下的管道土体三维有限元模型并通过软件模拟分析了断层位移量、管道内压、管道径厚比和管道埋深等因素对管道应力和
2、应变响应规律的影响 数值模拟结果表明:管道的最大轴向应变点并不在断层面上而是在断层面的两侧管道有无内压的破坏模式不同内压越大管道越容易遭受破坏管道的径厚比越小断层面两侧最大轴向应变点距离断层面的距离越远浅埋能够减小断层作用下管道的最大轴向应变在断层位移量较大时宜选择浅埋关键词:埋地管道断层管土相互作用影响因素应力应变中图分类号:.文献标识码:():.:引言石油和天然气作为重要的能源基础影响着国家的安全和社会的发展 管道在天然气的开发、输送和利用过程中有极其重要的作用 我国天然气资源分布极不平衡有着西多而东少和北多而南少的总体格局西气东输二线工程是当时全球工程量最大和管线里程最长的油气管道工程可
3、以将我国塔里木盆地、柴达木盆地等西部地区生产的天然气和从其他国外地区进口的天然气沿干线和支干线输往中西部和沿海地区以适应我国天然气资源较为缺乏且消费量较大的地区对于天然气供应量的需要第 期张如林等:跨越断层的钢制埋地管道响应数值模拟研究埋地管线由于距离较长无法避免地经过众多地质灾害区域而产生一系列问题 震害调查表明:地震引起埋地油气管道的破坏几乎都是由静力破坏模式造成的如滑坡、土壤液化和断层位移严重威胁了管道的安全 其中断层位移是最为危险的形式由于断层运动将产生较大的地面位移可能会导致管道发生严重的屈曲或失效 如 年马那瓜地震、年海城地震、年唐山地震、年宫城县地震、年集集地震和 年汶川地震都出
4、现了埋地管道遭到严重破坏的情况 因此开展对跨断层埋地管道的力学性能和变形规律的研究对于管道的设计和安全运行具有重要意义针对于此众多学者开展了相关研究 侯忠良等发现断层位错作用是管道破坏的主要影响因子 等用壳单元模拟管道弹塑性材料用非线性弹簧模拟土体分析了逆断层位错下埋地管道的屈曲反应赵林等在试验研究的基础上对比了三种不同的断层类型对管道的作用烈度通过模拟断层产生的剧烈旋转作用分析了结构产生形变的后果同时进一步拆解分析了在旋转作用下地面的运动用以控制强地震对断层管道的激励丰晓红将管道模拟为薄壁型结构土体模拟为均匀的实体结构提出了合适的管土作用有限元计算模型樊苏楠等运用有限元软件概率设计模块进行了
5、断层管道在多种因子的作用下的可靠度分析刘啸奔等研究了屈服强度和应变硬化参数在逆断层作用下对三种不同 等级管道(、和)的局部屈曲响应的影响并研究了其对临界断层位移、屈曲应力以及临界轴向应变的影响全恺等模拟了在两个断层面相互错动并且产生位移的情况下埋地管道在走滑断层位移下的屈曲响应曾希等建立了管土相互作用的非线性三维有限元模型研究了场地种类等因素对管道变形的影响国内外学者对管道受断裂和挤压的研究较多但对管道在断层作用下的应力应变分析较少并且考虑的影响因素单一难以对断层管道结构的力学性质做出全面分析 本文通过 软件以西气东输二线为工程背景建立管土断层相互作用模型研究断层位移量、管道内压、管道径厚比和
6、管道埋深等因素对管道应力和应变响应规律的影响数值模型的建立.几何模型的建立图 埋地管道土体体系有限元模型图.表 管周土体相关参数 物理性能指标数值土体密度/(/)弹性模量/泊松比.粘聚力/摩擦角/剪胀角/实际上土体范围的大小和管道的轴向长度数值非常大考虑到断层因素对管道的影响以及管土相互作用在使用有限元方法对其进行分析时对于断层附近的产生大变形的区域该区域选取的管道长度不应当小于 倍的管道直径本文选取管道外径为 管道模型选取的长度为 土体的长度沿着、和 方向上的长度分别为、和 建立的跨越断层的埋地管道有限元模型如图 所示.管道及管周土体相关参数本文选用 管道参考文献导则的附录 管道所用钢材的主
7、要参数为 .在 软件中管土之间的相互作用设置主要由法向的相互作用和切向的相互作用两个部分组成 法向的相互作用设置为“硬”接触通过此设置管道与土体之间可以传递法向的压力 此外在该处设置允许管道与土体接触后发生分离 切向的相互作用设置为“罚”摩擦该处考虑了管道与土体之间的摩擦力 借鉴相关文献的数值模拟经验管土之间的摩擦系数取.对管道周围土体模型采用 弹塑性模型 该模型中弹性参数主要有两个:分别为弹性模量 和泊松比 塑性参数主要有三个:分别为粘聚力、摩擦角 和剪胀角 管周土体相关参数列于表 中世 界 地 震 工 程第 卷.边界条件与荷载施加图 对管道内表面和移动盘施加荷载.将整个土体模型看作是一个六
8、面体在初始条件下顶部表面不施加任何的约束在土体底部约束其沿、和 三个方向的位移不对转角约束对于土体的四个侧面约束其法向方向上的位移 在数值模拟的过程中管土会有一小段的相对滑动因此对固定盘一侧的管道端部施加弹簧荷载需要说明的是:本文管土模型底部并未取到基岩面因此施加的是覆盖层下部基岩断裂位错引发的上部土层地表位错并非基岩位错 考虑荷载主要有重力、管道的内表面的压力以及断层位移荷载 将整个分析过程分为三个分析步来进行:第一个分析步对模型整体施加重力第二个分析步如图()对管道内表面施加均布荷载压力第三个分析步如图()保持固定盘不动对移动盘解除约束并施加线性位移荷载以此模拟断层的两盘相对运动 三个分析
9、步均采用静力通用分析步.模型的网格划分本文均采用结构化网格划分的方式 对于土体需要对管道周围的部分进行加密将管周土体沿着管周方向“为边布种”的局部种子设置为 个经过大量尝试发现该方法拥有较好的收敛性 为了更真实地模拟大变形段管道的变形特征在大变形段的管段需要进行局部加密并对管道中间区域进行细化处理 为达到分析的准确度的要求沿着管道轴向方向上的壳单元长度不应当大于管道直径的.倍因此采用.作为管道大变形段的网格密度数值模拟结果分析.断层位移量对管道的影响作用针对不同的断层位移量选择右旋走滑断层和逆断层的组合断层为研究对象断层倾角取 断层面与管道交角取 位移沿、和 三个方向上的距离相等即 在构造运动
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