埋地管道抗震设计

　　摘要： 埋地管道抗震设计的控制要素是受外力作用下的管道变形以及由此而形成的分段管道接点之间的相对位移，分析了由地震引起的管道变形和相对接点位移的上限。本文提出了用伪静力分析的模型来研究各种物理作用，地质学以及地震学参数的结构抗震设计。

　　关键词： 埋地管道；抗震设计

　　1 管道的地震破坏特性

　　管道对输电干线，结点和片断管线的破坏也是由于地震直接的或间接的影响。直接的地震破坏力量是：地震的地面摇动和震动；断层变位；以及建筑物的上升沉陷。间接的地震破坏力量，比如坍方和土壤液化引起的大量的土地触发性运动。

　　管线失效模式主要是由于建筑物的上升/沉陷，坍方或土壤液化是大面积灾难性的破坏。通常，如此的毁坏伴随着输电干线及片断管线的损坏，破坏面积中的大部分管线系统的线路和结点断开。

　　地震的摇动可能发展成为很大的地面张力以至于引起管的裂开或结点的分离，压缩能导致变形和弯曲，剪切能够引起管线的裂缝或裂开，弯曲能导致破裂。观察发现对于管线来说与刚性结点的失效远大于柔性结点。

　　得出结论，在埋地管道下面的地质环境影响了管道破坏的强度和/损坏频率。从数量上看，损坏一般至少发生在岩床中，小部分在粗粒土壤和大部分方面发生在细粒土壤，例如黏土或淤泥。

　　最近， 观察发现震害率最高发生在从土的转换层中。同时，震害数据统计显示管沿地震波的传播方向的损坏远大于沿正常的传播方向的损害。

　　2 埋地管道对地震的摇动反映

　　最近在一些包括地面摄影和模型试验的调查已经报导了埋地管道的地震反应，从这些调查中一般可概括为以下各项：

　　①大多数的现场数据显示埋地管道在地震中的位移接近于地面在纵向和横向晃动的方向的位移。在这些地下结构和地面之间的变位中感觉不到二者的不同。

　　②地下生命线的运动产生的惯性力非常小。在地震的时候地下生命线的反应（应力或变位）主要依赖地面沿着路线的变位特性。另一方面土地的变位特性受地下管道的影响很大。

　　③发现说在所有的情况中轴向应变高于弯曲应变起主要作用。弯曲应变在弯曲部件中的作用与在直线构件中的作用大小等级相当。从上述的研究可以发现地下生命线的反应是受地面沿着路线的相对变位支配而不是地面的加速度。地下生命线运动的容许的延性或韧性是这些结构的地震设计的最重要的传递因数。

　　3 消极的设计考虑

　　在缺乏地震设计编码的地下管道中，一些消极的设计考虑已经被工程师用于最大限制减少地震的损坏和危险的程度。下列各项是一些通常的工程实践和建议：

　　①超静定应该建造在配水系统之内。多根较小的管代替一个单一较大的管应该被用于使管的破坏量减到最少。

　　②放气阀应该安装在一个地震活动能被较高预见的区域，比如沿着一条断层线安放。依靠这个技术，在一个地震期间放气阀失效之后水会被输导到一个附近的水库里。

　　③易延展的管材料如钢，延性铸铁或塑料应该用于需要较大变形的管线。

　　④对于分段管，柔性结点如用橡胶填实的结点应该被用于为相对结点位移作准备。对于预期的较大的地面运动，应该用额外的抑制套管。同时，当较短的片断可以承受少量地面运动引起的应变时，也应该被用于地面抗震。

　　⑤如果能实行的，考虑应该在一个较大的隧道中装入管线可以使管线与地震导致的地面运动相隔离，或润滑管线增加管和周围的土之间的“滑动量”。最近，美国土木工程协会技术委员会的水资源及下水道委员起草了一封关于生命线地震工程的“公用设备注意信”，递交给给水和污水管要求对于紧急情况的修理程序的准备，而且要求训练在地震情况下人员处变的能力。

　　概述来说，所有的这些消极的地震设计考虑可能在一定质量上减少地下管道受到的损坏。确定将来设计的安全仍然急切的需要定量的和全面的设计指导方针。

　　4 单一化分析途径

　　虽然没有现有的规范规定地震影响下地下管道的设计，但是有一种估计地下的管应变和地面震动导致的曲度的“单一化分析”程序已经存在很长一段时间。基本上，分析时假设管和地面之间没有相对运动。因此，对于上限，可以把地震主应变作为管的应变，把地震主弯曲作为管的弯曲。从另外一个观点来看，它对假定管没有刚性，因此变形与地面完全相同。

　　精确地来说，由于地震的地面摇动引起的最大的场地土应变 和最大的地面弯曲应力？字max，可以表示成

　　其中，vmax和Amax分别是在一个区域地震期间的最大的地面速度和最大的地面加速度；cp和cs分别是压缩波和剪力波在土壤中的传播速度。

　　对于连续管道的分析和设计，管的最大轴应变的上限设计？着p，max，应该是地震的最大地面应变：

　　管的最大的弯曲上限？字p，max，应该是起支配作用的最大地面曲度，即：

　　我们注意按照惯例（非地震的）埋地管道的设计主要受制于平面应力/应变类型的荷载例如内部压力和地面内部环向应力。而对于地震来说，地面应变和弯曲产生纵向应力。现在已经研究环向和纵向应力的组合作用。然而，发现管的轴应变强度的影响相对很小而且管的柔性储备可以忽略。

　　因此，如果一个连续管道系统能符合两种上限标准（应变和曲度），则分析发现管线就可以抵抗地震产生的地面速度和地面加速度少于vmax和Amax。在比较两个标准，指出强烈的震动引起地面应变很可能大于管的失效应力，然而场地的弯曲应力小于管的失效弯曲应力。

　　对于分段管道（图1），除了管段应变和弯曲之外，最大的相对节点位移（两个管段之间的相对运动）就成了重要的设计叁数。如果我们假设严格随地面运动的管道包括刚性片断，则地面两点之间的最大的相对运动将完全起决于管段节点的相对位移及旋转。因此，节点位移的最大上限Up，max及节点旋转？兹p，max，如图2所示，可以记为：

　　其中L是管段长度？着max和？字max分别是地面变形的最大自由度及最大地面自度。

　　如果一个埋地分段管道系统能满足Eqn规定的四种所有上限最大值（管应变和弯曲；结点位移和旋转）。即Eqn（3）到（6）则该管线将偏于保守的安全，因为在现实的情况下，管应变和相对结点位移共同作用对地面施加应力，并且管的弯曲和节点旋转联合共同强加地面的弯曲度。又由于自由场地面应力数量级和弯曲应变的不同，对于埋地分段管线的设计相对节点位移将比节点的相对旋转更为严峻。

　　剩下的问题应该是对于一个特定的基地根据地震的危险和周围土壤介质中波的传播速度来设计场地土的速度和加速度。

　　虽然远没有达到预期目标，但是场地土的运动特性和影响埋地管道的地震危险性分析已经开始研究。一个评估配水系统在地震中的薄弱点的程序已经被用于其他地方。

　　利用保守的假设，“单一化分析”的方法将会为评估一个非常复杂的遭受地震影响的埋地管道系统的安全性给出一个初步的解决方法。

　　参考文献：

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　　[3]地下管道的抗震设计[J].建筑技术通讯（给水排水），1979（03）.