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X80钢管道穿越地震断层应变响应分析

发表时间:2012/07/22 来源:安世亚太   作者:董卫  张立松  闫相祯  杨秀娟  
关键字:ANSYS  地震断层应变响应  
考虑埋地管道与土介质的相互作用,分析管道作为薄壳结构的断层位错反应。管道模型简化为四节点薄壳单元结构,土介质简化为非线性弹簧单元,建立地震断层作用下的 X80 钢壳- 弹簧有限元模型。考虑管道与土体的材料非线性、管道几何参数、埋深、断层类型、断层与管道交角等因素,利用ANSYS软件对 X80 钢管道最大轴向压缩的进行分析。结果表明:X80 钢管道与断层的交角对管道轴向压缩应变存在较大影响;倾角越大,越不容易屈曲;地震断层对管道的影响主要出现在断层两侧,远离断层面的单元应变急剧下降。

1 前言

 

    西气东输二线及川气东送管道工程建设中,X80(φ1219×26.4mm)、X70(φ1016×21mm)等高钢级、大口径油气管道在国内相继得到使用。由于西部地区地形地质条件的限制,油气管道不可避免地穿越地震断层。郭恩栋和冯启民利用有限元法,建立了断裂位移作用下管线和土弹簧的动力平衡方程。刘爱文针对Kocaeli地震和集集地震中埋地管线的震害,采用等效边界条件,用薄壳有限元方法研究断层运动对埋地管线的作用。虽然已有针对埋地管道穿越断层进行相应的理论研究和案例分析结果,但仍有必要针对新型高钢级(管材为API5LX80钢)、大口径管道(管径1219mm)的穿越断层特性进行研究。鉴于以上原因,采用大型通用有限元分析软件ANSYS对X80管道穿越活动断层时的管道应变反应进行分析。

 

2 X80钢管道穿越断层的ANSYS模型

 

2.1 管道单元

 

    远离断层处的管道轴向应变响应几乎为零,考虑到计算机资源的限制,仅注重在断层错动附近位置处埋地管道的应变反应。在建立ANSYS数值模型过程中,取断层附近管道长度30m,用三维壳单元SHELL181来模拟X80钢埋地管道,同时沿着管道圆周方向和轴线方向划分单元网格,圆周方向划分N=24个单元;管道轴线方向每隔DL=0.3D(D为管径)划分单元。在对ANSYS模型进行网格划分调整时,可以通过调整N和DL实现。

 

2.2 土弹簧单元

 

    在断层作用下,埋地管线受到周围土的作用,将土体模拟成非线性弹簧单元,并将其作用在管壁节点上。每个壳单元的4个节点分别连接三个定向土弹簧:管轴方向、水平横向和垂向方向。定向弹簧是指弹簧两个节点之间的作用力方向沿着某一规定方向、弹簧力的大小也只与弹簧的两个节点在该方向的相对位移有关,而与其他方向上的相对位移无关。这三个定向弹簧分别用来考虑三个方向的被动土压力。其中管轴方向上的土弹簧特性主要由沟内的回填介质及埋深H来确定;而水平横向的土弹簧特性和垂向方向的土弹簧特性则主要由管子埋设场地的局部场地土的力学特性来决定。下图1-2给出了土弹簧轴向及水平横向的本构关系:

 

 

2.3 ANSYS有限元模型

 

    为模拟断层的相对运动,地震断层位错量输入是问题的关键。为此,将位错量输入体现在土弹簧单元一端结点(非与管线共用结点)的位移上,在本文建立的模型中,土弹簧这一结点的位移即为断层的位错量。设体系的总刚度矩阵为[K],总质量矩阵为[M],总阻尼矩阵为[C],总位移向量为{U},速度、加速度向量分别为,总外力载荷向量为{F},则体系的动力平衡方程表示为:

 

    对于该体系,可以具体表示成如下形式:

 

    试验及理论研究都早已说明跨断层埋地管线在地震作用下的反应,动力分析和静力分析结果所反映的趋势是相同的。动力项的影响可以忽略不计,可以作为拟静力分析,则系统的平衡方程简化如下:

 

    式中,下标g表示管道;c表示弹簧单元;Ug、Fg表示为管线单元节点的位移向量和外力向量;Uc、Fc表示为弹簧单元节点的位移向量和外力向量;Us、Fs表示土体边界节点的位移向量和外力向量。由于管道上所受到的力全部由断层给予,故可知Fg=0。