基于LS-DYNA研究輸電鐵塔倒塌對臨近埋地輸氣管道沖擊影響

摘" " 要：為了研究高壓輸電塔倒塌產生的沖擊對臨近埋地輸氣管道的影響，以交叉敷設的某110 kV高壓輸電塔與某輸氣管道為研究對象，采用LS-DYNA軟件模擬計算管道受輸電塔倒塌沖擊產生的應力、位移、移動速度的變化規律。研究表明，加管溝保護后管道的最大等效應力減少約26.89%、最大總位移減少約48.60%、最大總壓力減少約30.61%、最大總速度減少約44.57%，其保護效果顯著。

關鍵詞：輸電鐵塔； 倒塌； 埋地管道； 沖擊； 影響

Impact of transmission tower collapse on adjacent buried natural gas pipelines based on LS-DYNA

WANG Yiping

Yunnan PetroChina Kunlun Gas Co.， Ltd.， Kunming 650200， China

Abstract：To study the impact of high-voltage transmission tower collapse on adjacent buried natural gas pipelines， a 110 kV high-voltage transmission tower and a gas transmission pipeline that are cross laid were studied. LS-DYNA software is applied to simulate and calculate the stress， displacement， and moving velocity of the pipeline caused by transmission tower collapse. The results show that with the protection of the pipe duct， the maximum equivalent stress， the maximum total displacement， the maximum total pressure， and the maximum velocity are reduced by 26.89%， 48.6%， 30.61%， and 44.57% respectively. The protective effect is very remarkable.

Keywords：transmission tower; collapse; buried pipeline; impact; influence

DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2024.05.013

隨著我國城鎮化建設不斷推進，城市規模不斷擴大，相關保障性基礎設施尤其是高壓輸電系統向外遷改趨勢明顯加快。由于土地征用、基本農田保護、城市規劃等原因，難以為改遷的高壓輸電塔及配套線路與已建輸氣管道安排適宜的路由，兩者常不可避免地并行或交叉，導致存在輸電鐵塔傾覆倒塌對埋地輸氣管道產生沖擊破壞的安全隱患。

因輸電鐵塔受外力因素傾倒所產生的瞬時沖擊力非常大[1-4]，并將瞬間傳遞給臨近埋地輸氣管道，可能導致管道破裂泄漏，極大增加了燃爆風險。因此，有必要對輸電塔傾覆倒塌對埋地管道產生的沖擊荷載進行研究，并加以防護，確保輸氣管道安全運行[5]。

本文以交叉敷設的某輸氣管道與110 kV高壓輸電鐵塔為研究對象，對管道進行沖擊響應分析，研究成果對管道安全運行具有較強的指導意義。

1" " 輸電鐵塔與管道參數

某輸電鐵塔高42 m，與最近一處交叉敷設的埋地輸氣管道中心線的直線距離為22 m，沖擊角度為90°，輸氣管道材質為L245，規格D168 mm × 5.0 mm，假設輸電鐵塔整體倒塌在地面上，示意見圖1。

2" " 建立模型

為簡化計算，將鐵塔假設為圓錐筒，截取一段鐵塔與一定范圍土壤進行計算。鐵塔倒塌可以看成其質心繞支撐點的轉動，如圖2所示。

埋地輸氣管道可分為無管溝保護和有管溝保護兩類，仿真模型由鐵塔、管溝上土壤、管溝以及管溝內緩沖土壤和管道5部分組成，建立的模擬模型如圖3所示。

3" " 有限元分析

本文主要研究埋地管道的沖擊響應，所以輸電鐵塔倒塌的過程可在仿真過程中忽略，將其作為質心繞支撐點轉動的剛體處理。依據能量守恒原理，通過理論計算可以獲得鐵塔倒塌即將落地前的速度。在LS-DYNA中，通過關鍵字*INITIAL_VELOCITY_GENERATION對數值模擬中的鐵塔模型施加初始速度。

計算模型用三維六面體單元劃分網格，應用拉格朗日算法，采用cm-g-μs建模。對土壤模型的前后左右及底部設置為全約束，截取管道長度方向8 m、寬度方向2.38 m、高度方向4.15 m。無管溝保護管道計算模型劃分為877 860個單元，有管溝保護管道計算模型劃分為932 260個單元。在數值計算過程中，忽略鐵塔倒地后變形的影響，將鐵塔視作剛體進行考慮。有限元模型中鐵塔與土壤、土壤與鋼管、土壤與管道之間均施加接觸關鍵字*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE，管道內部施加均布載荷10 MPa。采用LS-DYNA進行計算，計算時程為50 ms，得到仿真結果后，再采用LS-PREPOST軟件進行后處理。

4" " 計算結果分析

判斷鐵塔倒塌時埋地輸氣管道受到的沖擊力大小，需要計算管道的最大等效應力和最大位移值。分別以管道受力處的管頂、管左側、管底和管右側 4個單元為代表進行分析，如圖4所示。無管溝保護的管道選取的4個典型代表單元分別為：管頂3281、管左側3061、管底2321和管右側81，有管溝保護的管道選取的4個單元分別為：管頂4081、管左側2461、管底1361和管右側3441。

4.1" " 管道等效應力

管道等效應力時程曲線見圖5。無管溝保護管道4個代表單元等效應力最大值發生在管頂3281單元，為203.62 MPa；有管溝保護管道4個代表單元等效應力最大值發生在管頂4081單元，為148.87 MPa；其他各單元的等效應力相差不大。管溝保護使得管道最大等效應力減少約26.89%。

4.2" " 管道總位移

管道總位移時程曲線見圖6。無管溝保護管道4個代表單元總位移最大值發生在管頂3281單元，為1.021 8 cm，其他總位移差別不大；而有管溝保護管道各單元的總位移卻非常接近，其中管頂4081單元的最大總位移為0.525 3 cm。管溝保護使得管道最大總位移減少約48.60%。

4.3" " 管道壓力

管道壓力時程曲線見圖7。無管溝保護管道壓力最大值發生在管底2321單元，為104.78 MPa，各單元壓力差別較大；而有管溝保護管道壓力最大值發生在管底1361單元，為72.705 MPa。管溝保護使得管道最大壓力減少約30.61%。

4.4" " 管道移動速度

管道移動速度時程曲線見圖8。

無管溝保護管道4個代表單元移動速度相差不大，其最大值發生在管底2321單元，為102.6 cm/s；有管溝保護管道4個代表單元移動速度也相差不大，管頂4081單元移動速度最大，為56.87 cm/s。管溝保護使得管道最大移動速度減少約44.57%。

5" " 結束語

通過以上計算分析可知，埋地天然氣管道采取有管溝保護措施后，管道的等效應力、總位移、壓力和移動速度值均顯著減小，其保護效果非常明顯。因此為了避免天然氣管道受到臨近輸電鐵塔倒塌的沖擊荷載而破壞，建議對其實行管溝保護措施。

參考文獻

[1]" 李興建.考慮SSI的輸電塔—線體系動力響應與倒塌分析[D].濟南：山東大學，2018.

[2]" 付興.風雨致輸電塔線體系動力反應及倒塌分析[D].大連：大連理工大學，2016.

[3]" 馬瑞升.強震作用下輸電塔—線體系倒塌分析研究[D].濟南：山東大學，2016.

[4]" 王東源，李朝，何樹生.高壓輸電塔倒塌對埋地管道的沖擊影響[J].自然災害學報，2015，24（6）：171-178.

[5]" 繆惠全，高思遠，劉如山，等. 生命線工程的可靠性研究進展分析（Ⅱ）[J]. 北京工業大學學報，2024，50（3）：362-384.

作者簡介：

王怡平（1982—），男，四川成都人，工程師，2005年畢業于西南石油學院油氣儲運工程專業，碩士，目前從事城鎮燃氣項目建設與運營管理工作。Email：wangyiping01@petrochina.com.cn

收稿日期：2024-08-29