地震液化區輸氣管道的應力反應分析研究

張思琦 張逸美

（中國石油集團工程設計有限責任公司 北京分公司，中國 北京100085）

土壤液化是強震區管道的主要危害之一。 一旦土壤發生液化，管道就如同漂浮在液體之中。輸氣管道由于重量較輕在液化區會發生上浮，當管道上浮位移較大時會使得管道產生較大的彎曲而失效。 本文基于非線性有限元軟件ABAQUS 建立了液化區管道的有限元分析模型，給出了液化區管道應力的計算分析方法，對強震區管道的安全運行有著重要的實際意義。

1 液化區輸氣管道的受力形式

在工程實際中，土壤對管道的約束通常使用土彈簧來描述。 而土壤液化后其對管道的約束力也就大大減弱，工程中常常將液化區土彈簧弱化為原土彈簧的1/1000～1/3000。 從而可以得到液化區輸氣管道的受力狀態如圖1 所示，管道在液化區受到液化土浮力和重力的合力的抬升作用和弱化土彈簧的約束作用，而在非液化區受到正常土彈簧的約束作用。

圖1 液化區輸氣管道示意圖

液化區管道的浮力可根據下式求得：

非液化區土彈簧的大小可以根據ALA 《Guidelines for the design of buried pipelines》中給出的方法求得。

2 有限元分析模型

2.1 有限元模型描述

采用非線性有限元軟件ABAQUS 建立有限元分析模型， 管道采用PIPE31 單元離散， 單元長度為0.5m， 對兩側非液化區管道各取500m。 土壤對管道的作用使用一系列離散土彈簧表示， 本模型采用ABAQUS 軟件提供的PSI 單元模擬土彈簧。 其中將液化區的土彈簧弱化為正常土彈簧的1/2000 來模擬液化區的影響。 對液化區管道施加均布的抬升力來模擬液化土對管道的浮力作用。

2.2 管材模型

有限元模型中采用R-O 模型來描述管材的彈塑性模型。 表達式如下：

式中：E 為管材的初始彈性模量；ε 為應變；σ 為應力；σs為管材的屈服應力；α 和N 為R-O 模型參數。

3 案例分析

3.1 案例背景

本文取某管道實際工程數據進行分析計算，案例數據如下：土壤參數：土壤容重2000kg/m3，內摩擦角35°，管道埋深：2.1m，管土摩擦系數0.6。 土壤類型為密砂。 計算得到土壤軸向土彈簧剛度48.44KN/m、屈 服 位 移3.00mm， 豎 直 向 上 土 彈 簧 剛 度77.175KN/m、 屈 服 位 移31.5mm，豎直向下土彈簧剛度2605.82KN/m、屈服位移121.90mm。 管道參數：外徑1219mm，壁厚22mm，埋深2.1m。 管材X80HD2，彈性模量207GPa，屈服強度555MPa，R-O 參數α＝15.94 和N＝15.95。 液化區參數：液化區長度60m，單位長度管道的抬升力23KN/m。

3.2 案例結果分析

將抬升載荷施加到液化區管道單元上，進行有限元模型的求解分析。

在抬升力的作用下管道上浮， 液化區中心位移最大達到2.17m，管道恰好浮出土面。 圖2 給出了管道管頂、管底、管側的應力分布。 可以得到在均布抬升力的作用下，在液化區中心管道的頂部受拉，底部受壓。 在兩側非液化區正常土彈簧的約束作用下，液化區與非液化區的交界處管道的頂部受壓，底部受拉。 由于管道整體受拉伸作用所以管側應力均為拉應力。 管道的最大Mises 等效應力處出現在液化區與非液化區交界處，應力值為350MPa。

圖2 管道的應力分析結果

4 結論

本文基于非線性有限元分析軟件ABAQUS 給出了液化區輸氣管道上浮時的應力分析方法， 結合實際案例討論了應力分布的主要特點， 得出主要結論如下：ABAQUS 軟件用于管土作用下管道的應力分析計算具有建模簡單，計算速度快的優點。 液化區輸氣管道在液化區與非液化區交界處應力較大。本文給出了一種適合工程應用的液化區管道應力計算方法，可用于管道基于應力的設計與校核。

［1］American Lifelines Alliance—ASCE, Guidelines for the Design of Buried Steel Pipe[J]. July 2001.

［2］柳春光,柯國敏.液化區埋地管線的數值模擬分析[J].世界地震工程,2010,26(1):125-130.

［3］林均岐,熊建國.液化土中埋設管線的上浮反應分析[J].地震工程與工程振動,2000,20(2):97-100.