場地變形條件下埋地管道接口試驗研究綜述

劉洲 田林林 周彪

【摘 要】埋地管道作為城市生命線工程在工業(yè)生產(chǎn)和人們的生活中應(yīng)用廣泛。但是在地震作用和場地變形作用下，管道會遭到嚴重破壞，尤其是在最薄弱的接口處。所以對埋地管道在場地變形作用下的研究就十分必要。本文根據(jù)項目組研發(fā)的箱體和MTS等設(shè)備設(shè)計相應(yīng)的力學(xué)試驗，為今后的試驗提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】埋地管道； 場地變形； 接口

前言

埋地管道作為重要的物流手段之一，已經(jīng)被各大城市廣泛應(yīng)用，主要負責(zé)運輸自來水、石油、天然氣及供暖等。埋地管道系統(tǒng)是人類現(xiàn)代社會的經(jīng)濟能源動脈，被稱為人類生命線系統(tǒng)的一部分。隨著城市的發(fā)展和大型工程的增多，城市和大型工程對地下管道越來越依賴。而埋地管道一旦破壞，對人類的生活生產(chǎn)將會帶來嚴重的影響。因此，地下管道破壞的研究對城市和大型工程的建設(shè)均具有重要的應(yīng)用價值。

地下管道的主干、支路以及結(jié)點的地震破壞均可歸結(jié)于地震波作用下的波動破壞和場地震害。前者主要指由于地震波的傳播效應(yīng)，導(dǎo)致土層產(chǎn)生波動變形而使管道發(fā)生破壞；而后者指地震振動引起的大面積地表移動、場地斷裂等場地變形，主要包括土壤液化、地表塌陷、斷層、滑坡等。如果不考慮管道自身的腐蝕，管道接口處的破壞最為嚴重。而埋地管道接口分為焊接、螺紋連接、法蘭連接和溝槽連接等形式。所以，對管道不同接口處的抗震性能研究十分必要。

相比國內(nèi)外關(guān)于埋地管道損傷的理論分析和數(shù)值模擬研究來說，試驗研究還顯得不足，尤其對于埋地管道接口處的力學(xué)性能試驗研究。本文以埋地管道接口為主要對象，設(shè)計斷層錯動作用下的接口破壞試驗方案，借助MTS設(shè)備和項目組自行制作的箱體對管道的不同接口形式開展模擬斷層錯動作用的試驗，并對試驗數(shù)據(jù)進行整理分析，總結(jié)出埋地管道的不同接口在斷層錯動作用下的力學(xué)性能，用于提高埋地管道抗震性能的研究。

1.研究意義

與地上管道相比，埋地管道通常分布的范圍廣，不可避免地涉及各種場地，在地震中極易遭受破壞，造成系統(tǒng)故障和中斷，并有可能產(chǎn)生各種次生災(zāi)害，給人民的生活和生命財產(chǎn)帶來嚴重危害。而且地震引起的斷層、沉降、液化等場地變形也對埋地管道有著很大危害。歷史震害表明，埋地管道面對災(zāi)害最薄弱的環(huán)節(jié)就是管道接口處。為了減少地震作用對管道工程造成的破壞，確保生命線工程的安全和防止次生災(zāi)害的發(fā)生，研究地震波及其所引起的場地變形對管道的損傷，尤其對于管道接口處的損傷，為輸流管道的抗震性能研究提供必要的理論基礎(chǔ)，有著十分重要的意義。深入開展斷層錯動作用下的埋地管道接頭損傷的試驗研究，可為埋地管道的力學(xué)設(shè)計和安全評估提供可靠的依據(jù)。

2.研究目標

以地震災(zāi)害發(fā)生時的管道薄弱環(huán)節(jié)——接頭為研究對象，通過室內(nèi)模擬斷層錯動的試驗，研究埋地管道接頭的變形與破壞，進而揭示埋地管道在斷層作用下的破壞機理，為管道工程的抗震設(shè)計提供可靠的依據(jù)。

3.研究內(nèi)容

考慮當前工程實際中的多種管道連接方式，基于項目組開發(fā)的已有試驗裝置，設(shè)計斷層錯動作用下埋管接口變形與破壞的試驗方案，研究不同接口的受力和變形情況，結(jié)合理論分析，得出埋地管道不同接口的破壞機制和受力特征。

具體試驗內(nèi)容安排如下：

以不同接口的埋地管道為試驗對象，分別在不同類型斷層作用下，接口位置不同情況下，研究管道接口處的受力特征；進一步考慮組合場地條件下的接口受力與變形。

3.1考慮正斷層作用下，接口位置遠離斷層，埋地管道接口分別為焊接、螺紋連接、法蘭連接的破壞情況；

3.2考慮正斷層作用下，接口位置在斷層附近，埋地管道接口分別為焊接、螺紋連接、法蘭連接的破壞情況；

3.3考慮正斷層作用下，接口位置在斷層處，埋地管道接口分別為焊接、螺紋連接、法蘭連接的破壞情況；

3.4考慮逆斷層作用下，接口位置遠離斷層，埋地管道接口分別為焊接、螺紋連接、法蘭連接的破壞情況；

3.5考慮逆斷層作用下，接口位置在斷層附近，埋地管道接口分別為焊接、螺紋連接、法蘭連接的破壞情況；

3.6考慮逆斷層作用下，接口位置在斷層處，埋地管道接口分別為焊接、螺紋連接、法蘭連接的破壞情況；

3.7考慮走滑斷層作用下，接口位置遠離斷層，埋地管道接口分別為焊接、螺紋連接、法蘭連接的破壞情況；

3.8考慮走滑斷層作用下，接口位置在斷層附近，埋地管道接口分別為焊接、螺紋連接、法蘭連接的破壞情況；

3.9考慮走滑斷層作用下，接口位置在斷層處，埋地管道接口分別為焊接、螺紋連接、法蘭連接的破壞情況；

通過對試驗數(shù)據(jù)的匯總和分析，得到埋地管道不同形式接口在斷層錯動作用下的應(yīng)變、位移等相應(yīng)變化情況；并對試驗結(jié)果進行分析，與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比。通過對不同因素下的埋地管道不同接口形式的力學(xué)性能試驗，揭示埋地管道的損傷機理，進而驗證數(shù)值模型的可靠性。

4.關(guān)鍵問題與預(yù)期創(chuàng)新點

4.1關(guān)鍵問題

如何模擬現(xiàn)實情況的加載方式，設(shè)計最符合實際情況的試驗方案，把加載的力更精確地作用到接口處，從而得到最切合實際的數(shù)據(jù)和形變現(xiàn)象，才能更好地研究出埋地管道不同接口的破壞形式，并且為今后埋地管道施工提供可靠的理論依據(jù)和實踐方案。

4.2預(yù)期創(chuàng)新點

本研究預(yù)期的創(chuàng)新點是：通過設(shè)計埋地管道不同接口在斷層錯動作用下力學(xué)性能研究的室內(nèi)試驗?zāi)Ｐ停柚鶰TS擬動力設(shè)備提供動力加載，研究不同形式的接口在斷層錯動作用下受力及變形狀況，揭示埋地管道損傷機理。

5.實驗方案

將試驗管道埋置于三個無蓋的箱體內(nèi)，其中兩側(cè)箱體為1000×876×760mm3，中間箱體為1200×876×760mm3。中間箱體與MTS設(shè)備相連，可以通過設(shè)備使箱體上下移動；一側(cè)箱體底部和側(cè)面均有滑輪，可以前后移動；另一側(cè)箱體與地面固定。放置管道時，將管道接口處放置于試驗箱體的不同位置處，用于分析各種條件下的接口受力。每組試驗將放置三根管道，接口分別為焊接、螺紋連接、法蘭連接進行不同接口形式的試驗；接口位置分別為遠離斷層、斷層附近、斷層處進行不同接口位置的試驗。通過MTS設(shè)備和千斤頂?shù)仍O(shè)備使箱體產(chǎn)生位移，從而模擬斷層錯動作用下不同管道接口的受力變形情況。通過在管道接口處安裝應(yīng)變片，并使用位移計等裝置，得出管道接口處的受力、位移和變形等試驗數(shù)值或現(xiàn)象。

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