埋地管道地震響應研究綜述

(北方工業大學 北京 100144)

一、引言

埋地管道是城市重要生命線工程，也是非常特殊的地下結構。這種結構系統埋于地下，在發生地震時其受力狀態較為復雜，因此對埋地管道地震響應問題開展研究有著重大意義。

二、研究現狀

縱觀中外研究成果，近年關于地震波作用下埋地管道的研究工作已有巨大進展。所得成果主要如下：

Newmark[1]提出地震波作用下埋地管道的理論方法，忽略了慣性力的影響，并假定管道與土共同運動，開創了埋地管道的動力響應研究，目前世界各國規范都基于該假定。

日本學者[2]提出了反應位移法，建立了地震波作用下管土作用分析模型，本法將地震波簡化為簡諧波，將管道簡化為彈性地基梁，將土簡化為分布均勻的線性彈簧，可以合理準確地評估分析地震波作用下管道的動力響應。

沈世杰等[3]廣泛搜集了與管道震害有關的大量資料，同時對動力學波動理論進行總結論述，探討了地震作用下管道及其四周土體應變情況，提出管道與周圍土體之間應變傳遞計算公式。

Shinozuka[4]將慣性力忽略，通過假設管-土傳遞系數分析求得管-土界面應變。綜合分析得出:震級較高的情況下，管土會出現相對位移現象；震級較小情況下，管土會出現共同變形現象。

Hindy和Novak[5]有效分析了管土動力相互作用，首次提出了管-土間相互作用的概念，同時系統地研究了地震波波速、管道埋深、管道直徑、管道接頭型式等因素的影響作用。得出在地震波作用下管線軸向應變遠大于彎曲應變；深埋管道當受到管線動力相互作用時，軸向應力降低等結論。但該理論只適用于深埋管線。

Wang[6]將阻尼力、慣性力略去，運用擬靜態分析法研究分析了各種地震波作用下影響管道軸向應力應變的可能要素，同時指出：土質均勻性、地震波入射角度這兩個因素的作用最為關鍵。

M.J、O’Rourke等[7]對地震波影響下管道、土體應變和管土之間出現的滑動關系進行研究，同時提出：假如管土發生相對滑動，管道應變會因此變小，考慮到土體應變相對來講比較大，所以周圍土體應變下降到某個水平時，管道應變會接近于土體應變，管土之間只會出現較小的相對滑動。

仲偉濤、孫紹平等[8]開展試驗研究，探討了管道表面粗糙程度與管土間作用力之間的關系，結果證明：管道表面粗糙度會影響管土間摩阻力，粗糙程度與管土間摩阻力正相關；實驗控制使得管土間摩阻力、管土相對位移增大，得出了摩阻力的極限值以及相對位移最大值。

王海波、臨皋[9]運用邊界單元法將地震波輸入研究系統，分析了半無限彈性介質內土體和管道的作用和影響規律，研究發現：影響管土間作用的主要因素是埋深，埋深越大，尤其當埋深超過3m時，管道受到的影響會逐步下降，管土間效應此時也會逐步削弱；管土作用強弱和地震波頻譜成分有關，管土共振效應通常出現在有較大位移的情況下，地震波振動頻率會對管道位移改變造成影響，兩者正相關，且共振反應較小。

楊敏、劉全林[10]主要構建了包含材料剛度在內的多個參數的管土作用分析模型，并根據實測數據修正了研究模型，最終得到了參數分析的公式。

梁瑞[11]構建了管土作用分析的有限元數值模型，同時根據工程實例針對埋地管道地震響應問題進行了計算分析，所得結果證明運用此分析模型計算管道動力響應可有效評價地震波對于埋地管道安全問題造成的影響。

趙新濤、程貴海等[12]主要分析研究了管土作用、變形傳遞系數兩個因素影響管道地震響應的問題，運用靜力法得到了管道應力應變方程。根據算例數據研究得知：地震波作用下，管道接口處較其他位置通常更容易受損，工程施工過程中擴大管道橫截面、增強接口強度對抗震設防有利。

劉曉曉、李立云等[13]運用ABAQUS有限元軟件分析，將黏彈性人工邊界、管土作用、非線性反應等因素納入分析模型，對管土接觸作用進行模擬，構建埋地管道在地震波作用下的數值分析模型，同時結合試驗數據，對比分析了所得數值結果并指出：本模型能夠有效分析管道在地震波作用下的響應情況，其與振動臺試驗實驗結果相似，管道軸向應變表現出紡錘狀變化勢態。

薛景宏等[14]對比分析了時程分析法和規范法計算得到的埋地管道軸向動力反應數值，發現后一方法計算所得數值更大。

三、總結與展望

對于發生地震時，埋地管道的動力響應研究從上世紀六十年代就已開始,同時也取得了一定的成果。但是，迄今為止關于地震作用下埋地管道的特性研究仍并不充分;對于埋地管道抗震性能試驗方面的研究，國內外開展的工作還相對較少。因此地震波作用下埋地管道的動力響應，依然是值得深入研究的問題。