城市管网地震破坏研究

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摘要：本文以有限元分析法作为基本建模方法，基于相关软件为建模平台，对我国某城市开发区管网中不同方向管道接口进行了简化建模，以已知的地震波为输入进行了动力分析。通过模拟结果分析，建立了管道接口的地震破坏依据。由此分析了该区管网的地震可能破坏情况。

关键词：城市管网地震波有限元分析法

中图分类号： TU996.7+2文献标识码：A 文章编号：

1、前言

城市管网作为城市重要的基础设施，其安全正常运行是社会发展、人民生活的重要保障；地震作为一种严重的自然灾害，不仅会对城市管网结构造成严重破坏，而且会对整个管网的功能造成极大的损害[1]。国内外的专家和学者对城市管网的地震破坏进行了大量的研究工作，在长直管和简单弯管的地震研究较为深入，但是大量震害资料显示，城市供水管网地震破坏的主要形式是接口破坏，因而有必要研究新的模拟方法来模拟城市管网的震害情况。

2、有限元分析简介

有限元法是随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法，有限元法的基本原理可概括为：将连续系统分割为有限个单元，对每个单元提出一个近似解，再将所有单元组合成一个与原有系统近似的系统。目前，世界各地的研究机构开发了大量有限元分析软件。本文分析过程也采用有限元分析的方法对研究对象进行建模。

3、基于ABAQUS的管段与管件地震响应实例分析

3.1研究对象简介

实例采用某城市开发区一期工程的供水管网为研究对象，其结构简图见图1。该供水管网采用环状设计。供水输配水的主干道环状管网管径为DN600，次环网的管径为DN300，过路支管管径为DN200。管网采用承插口球墨铸铁管道，该供水管网的水源位于管网的南、北两侧。

图1 某开发区一期供水管网结构简图

实例中地震波为在某里氏6.5级地震中采集到的历时10秒的地表加速度反应谱，包括水平方向和竖直方向加速度。水平方向地表峰值加速度为3.57m/s2,竖直方向地表峰值加速度为3.05m/s2。实际数据为每0.01s采集一次，一共1000组数据样本。

3.2模型主要参数

3.2.1球墨铸铁管的基本参数

根据相关材料手册提供的数据，建模时球墨铸铁管道及胶圈接口的基本参数取值如下：

表1球墨铸铁管基本参数

3.2.2管道阻尼系数

Rayleigh阻尼是通过一个质量矩阵和一个刚度矩阵进行线性运算得到阻尼矩阵[2]定义，其定义式如下：

（1）

式中：――系统的Rayleigh阻尼；

――系统的质量阻尼矩阵；

――系统的刚度阻尼矩阵；

――质量阻尼系数；

――刚度阻尼系数。

α参考实际工程取值为0；β[3]按照下式计算：

（2）

式中：――系统的振动固有频率；

――阻尼比。

本研究ω采用线性摄动分析中的频率分析法，按照两端铰支梁方式对管段进行建模，分析结果如表2所示。

表 2 各管径球墨铸铁管单管段一阶固有频率和刚度阻尼

3.3结果分析

3.3.1管段分析

（1）管段管壁分析

以DN200管道为例，采用可变形实体单元构建模型，对管道接口结构进行简化处理，建立地震波沿轴向传播时的动力分析，分析其受地震波影响后最大可能破坏状态。模拟结果如图2所示。

从图中可以看出，最大拉应力在7.2s时产生，达到660MPa以上，此拉力已经超出球墨铸铁的抗拉强度420MPa，表面上看来似乎管道管壁已经被拉断。但实际由于模拟中采用了管道接口与管壁的绑定连接和管道接口胶圈不会破坏的假设，因此地震波对管道作用的衰减被完全忽略了，而这个作用正是柔性接口抗震性能的保证。因此，本研究中认为地震中管壁不会破坏。

图2管壁最大拉应力发生时的管壁受力状态

考察管道接口处破坏时，认为接口的形变应变能能够反映其受地震波影响后的破坏状态。本文借助材料力学中的形变应变能理论来描述管道接口的破坏，即接口胶圈的应力达到某一极限应力后，接口才会发生破坏。接口的应力分析结果如图3所示，从图中可知应力出现的最大时刻为3.40s，最大应力值为1.79MPa。

图3最大mise应力出现时管道接口的受力状态

按照以上思路，分别对不同方向不同管径的管道进行建模，分析了DN300、DN600三种口径管道在与地震波不同入射方向时管道接口胶圈的应力状态。地震波在不同方向上的分量按三角函数关系进行分解，结果如表3所示。

表3DN300-800各方向管道最大应力值

从上表可以看出，在同样的地震波入射的情况下，管径出现最大应力的时刻均在3.10s-3.50s之间；管径越大，胶圈最大应力值也越大，并且最大应力值随着接口与地震波入射方向夹角的减少而增大，由结果可知，在地震破坏分析中，管道管径越大、接口与地震波入射方向越小，其发生破坏的可能性就越大。

4．结论

本文以某城市开发区一期工程供水管网为研究对象，应用有限元分析方法，以某实际地震波数据为输入，建立了不同管径的管道地震响应模拟模型，通过分析得出各管段最有可能破坏节点位置。模拟结果显示，在数据和方法选取得当时，该软件建模的精度可以满足要求。本文的研究为进一步考察管网破坏程度奠定了基础。

参考文献

[1]李杰.生命线工程抗震基础理论与应用[M].北京：科学出版社，2005.

[2]杨其伟.地震作用下埋地管线轴线随机反应[J].北方工业大学学报，2004，16(1)：87-94.

[3]刘红石.Rayleigh阻尼比例系数的确定[J].噪声与振动控制，1999，(6):21-22.