摘要 為了保障人工爆破施工環(huán)境下天然氣管道的安全運(yùn)行，以管道典型第三方作用爆破施工為對(duì)象，通過(guò)分析天然地震波傳播特性、波形和頻譜特性，以峰值加速度指標(biāo)作為地震主要?jiǎng)訁?shù)，采用期望反應(yīng)譜作為目標(biāo)譜，基于SIMQKE-GR程序模擬了人工地震加速度波形圖，建立了基于有限單元法地基梁-土彈簧45型的爆破地震作用下管道地震響應(yīng)有限元模型，得到了管道在爆破地震作用下的位移、應(yīng)力和管道應(yīng)變隨時(shí)間的變化特性：若管道長(zhǎng)度大于200m，邊界條件對(duì)所取管段中間部位的反應(yīng)影響很小，管道中部的響應(yīng)就可以代表整個(gè)管道中大多數(shù)位置的響應(yīng)程度，將管道中間點(diǎn)的位移變量與土壤質(zhì)點(diǎn)的位移變量相減得到相對(duì)位移變量，就可以反映出爆破地震中管道與土壤的相對(duì)位移。最后將ANSYS模擬結(jié)果與管道抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明：ANSYS模擬結(jié)果的軸向應(yīng)變最大值為0.0011，與采用抗震規(guī)范法計(jì)算出的最大軸向應(yīng)變0.0013極為接近。該模型的模擬計(jì)算較為準(zhǔn)確，為管道爆破施工安全控制提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞  輸氣管道  人工爆破地震  動(dòng)力響應(yīng)  SIMQKE-GR程序  地基梁-土彈簧模型

近年來(lái)，管道在第三方作用下所發(fā)生的泄漏、爆炸、火災(zāi)等事故，從一定程度上影響了石油工業(yè)的推進(jìn)與發(fā)展。廣義的“第三方作用”是指由于非管道員工的行為而造成的所有管道意外傷害，其作用方包括了人為第三方作用因素，也包含了自然作用，如土壤移動(dòng)(滑坡、泥石流、塌陷和洪水)，以及地表荷載(爆破施工、違章建筑占?jí)汗艿篮偷孛婊詈奢d)引起的管道變形。人工爆破也已經(jīng)嚴(yán)重威脅到管道安全。因此，有必要對(duì)于此類問(wèn)題在理論上進(jìn)行系統(tǒng)分析，為管道安全運(yùn)行提供保障^[1-2]。

1 爆破地震實(shí)測(cè)特性以及人工模擬

1.1 爆破地震實(shí)測(cè)特性分析

通過(guò)分析爆破地震對(duì)地下管道結(jié)構(gòu)的破壞響應(yīng)，通常認(rèn)為爆破地震運(yùn)動(dòng)加速度是管道響應(yīng)的主要激勵(lì)源之一，將強(qiáng)震加速度記錄作為結(jié)構(gòu)的動(dòng)力輸入，采用動(dòng)力分析方法對(duì)管道進(jìn)行位移、應(yīng)變和應(yīng)力分析，從而確定管道的易損概率。然而，片面采用其他地方記錄的強(qiáng)震信號(hào)來(lái)作為動(dòng)力參數(shù)輸入不能完全反映實(shí)際管道場(chǎng)地特征，因此，對(duì)于人工爆破地震宜采用預(yù)定條件下人工模擬爆破地震波信號(hào)對(duì)管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力反應(yīng)分析。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：管道監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直方向速度和加速度值均大于徑向和切向兩個(gè)方向的速度值和加速度值；爆破地震水平切向的持續(xù)時(shí)間相對(duì)于垂直方向的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，而水平徑向上的持續(xù)時(shí)間則不具有規(guī)律性；垂直方向的主頻率值相對(duì)于水平徑向和水平切向的主頻率值偏大，同時(shí)三向振動(dòng)主頻率主要集中在10～150 Hz，如果埋地輸氣管道的固有頻率與爆破地震主頻率接近時(shí)管道受爆破地震破壞的可能性較大；炸藥量增加會(huì)使得地震波主頻率降低，對(duì)埋地輸氣管道的破壞性越大^[3-6]。

1.2 爆破地震波函數(shù)構(gòu)造

人工地震波的模擬最早出現(xiàn)在天然地震工程分析中，隨著人們關(guān)于爆破地震對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析的深入研究，這種方法也逐步運(yùn)用到爆破地震分析。人工合成爆破地震波通常包括2種方法：模擬目標(biāo)譜的人工波和模擬震源、震中距和場(chǎng)地參數(shù)的人工波^[7-8]。

構(gòu)造單項(xiàng)爆破地震波，必須已知波的3個(gè)要素和測(cè)點(diǎn)爆心距。爆破地震波的3個(gè)要素包括波的主頻率和頻率譜構(gòu)成、波的峰值大小即振速和加速度峰值、波的持續(xù)時(shí)間。波的頻率譜構(gòu)成常采用2種譜來(lái)表示：富氏譜和反應(yīng)譜。在工程爆破地震分析中多采用反應(yīng)譜或者建立富氏譜與反應(yīng)譜的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算出相應(yīng)的反應(yīng)譜作為目標(biāo)譜，再依據(jù)振幅的峰值與波的持續(xù)時(shí)間，以及包羅函數(shù)來(lái)建立該反應(yīng)譜的爆破地震波。假設(shè)地震波由一系列的三角波疊加而成，用S_v(t)表示組成的平穩(wěn)波，則：

式中A_i為對(duì)應(yīng)某頻率為ω_i，的振幅值；Ψ_i為初相位角，考慮到三角波具有隨機(jī)性，初相位角取[0，2π]內(nèi)的隨機(jī)均勻數(shù)；n為該波的頻帶范同內(nèi)的不同振幅與頻率波的個(gè)數(shù)；t為時(shí)間值。

將上述平穩(wěn)波S_v (t)非平穩(wěn)化，即得到要構(gòu)造的爆破地震波W_v (t)，表示為：

式中¢(t)的為外包絡(luò)線形狀函數(shù)，可以用下述公式確定。

式中的T₁和T₂可以按照爆距來(lái)確定。

式中f₀為爆破地震波的主頻率；T_d為爆破地震波的持續(xù)時(shí)間。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定模擬點(diǎn)爆破地震波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜曲線作為目標(biāo)譜，計(jì)算初步模擬得到的地震波形的反應(yīng)譜曲線，將其和目標(biāo)譜進(jìn)行比較，如果兩個(gè)譜值一致，而且波的峰值與設(shè)計(jì)相同，則可以認(rèn)為波形為所求的地震波形，一般經(jīng)過(guò)幾次修正的試算，就可以得到滿意的結(jié)果，但是要讓兩者完全一致是難以達(dá)到的，此時(shí)通常對(duì)峰值給出一個(gè)誤差允許值ε_v (2％～5％)，設(shè)計(jì)峰值V_max與人工構(gòu)造的地震波峰值V＇_max滿足下式：

同時(shí)設(shè)計(jì)譜值β_vi (i=1，2，…，n)與人工構(gòu)造的爆破地震波的反應(yīng)譜值β_vi ＇(i=1，2，…，n)二者的差值也要滿足給定的允許誤差值Δβ_vi(2％～5％)，即

1.3 爆破地震波人工模擬

日前反應(yīng)譜理論在結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計(jì)中己被廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)工程爆破界早已將反應(yīng)譜理論引入到爆破地震動(dòng)的研究中來(lái)，并根據(jù)不同類型的許多爆破地震實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算作出了抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，把期望反應(yīng)譜作為目標(biāo)譜基于SIMQKE-GR程序設(shè)定不同的場(chǎng)地參數(shù)，從而獲得地震加速度波形。假定地震基本烈度為8度，場(chǎng)地土為Ⅲ類條件下，通過(guò)設(shè)定目標(biāo)反應(yīng)譜構(gòu)成人工模擬地震波。基本情況如下：地面運(yùn)動(dòng)最大加速度最大值為3 g，最小周期為0.02 s，最大周期為4 s，加速度平穩(wěn)段的開始時(shí)間為1 s，加速度平穩(wěn)段的持續(xù)時(shí)間為5 s，輸出時(shí)總的持續(xù)時(shí)間為5 s。模擬結(jié)果如圖l～4所示。

2 埋地輸氣管道的爆破地震動(dòng)力響應(yīng)分析

在地震波作用下，場(chǎng)地土中的不同質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生相對(duì)位移，使管道產(chǎn)生軸向和橫向變形。通常認(rèn)為：對(duì)于斷面不大的地下直埋管道，與軸向應(yīng)力相比其彎曲應(yīng)力很小。而由于管道的自身重量較小，且周圍土體對(duì)管道有較大的約束，周圍地基土有很大的阻尼，因而不能進(jìn)行過(guò)分的振動(dòng)，即在地震波作用下的埋地管道動(dòng)力放大效應(yīng)很小，其主要的內(nèi)力和變形是由于場(chǎng)地各點(diǎn)的相對(duì)位移造成的。而在波動(dòng)影響中，與地震波傳播方向平行的埋地管道的破壞程度要嚴(yán)重得多，即沿埋地管道軸向傳播的地震波更容易使管道破壞，筆者主要針對(duì)地震波沿管道軸向傳播時(shí)管道系統(tǒng)的最危險(xiǎn)截面的最大應(yīng)力和最大位移進(jìn)行地震響應(yīng)分析。

2.1 地基梁-土彈簧有限元模型

以梁模型為主建立基于有限單元法地基梁-土彈簧模型，采用彈性地基上的連續(xù)梁模型，以土彈簧模擬管土之間的相互作用，直接輸入模擬出的人工爆破地震波，使土體產(chǎn)生和地震記錄相同的運(yùn)動(dòng)，由于土彈簧的存在，帶動(dòng)管道和土體共同運(yùn)動(dòng)，同時(shí)考慮土彈簧單元和管道單元的非線性特征。地下管道看作彈性地基上的連續(xù)梁，管土之間的相互作用通過(guò)沿管道分布的三向非線性土彈簧來(lái)模擬。直接輸入人工模擬爆破地震波，使土體產(chǎn)生和地震記錄相同的運(yùn)動(dòng)，由于土彈簧的存在，帶動(dòng)管道和土體共同運(yùn)動(dòng)，用ANSYS軟件的瞬態(tài)分析功能對(duì)模型進(jìn)行時(shí)程分析，沿管道分布的非線性土彈簧分為3個(gè)方向：管軸方向(水平切向)、水平橫向(水平徑向)和垂直方向的定向土彈簧。這3個(gè)定向彈簧分別用來(lái)考慮管軸方向的土摩擦力、水平橫向及垂直方向土壓^[9-10]。

2.2 爆破地震波作用下管道動(dòng)力響應(yīng)

為了近似地模擬地震波傳播引起具有空間差異的場(chǎng)地運(yùn)動(dòng)，用具有遠(yuǎn)大于對(duì)應(yīng)管段質(zhì)量的質(zhì)量單元附加在模擬管土相互作用的三向彈簧末端。在模擬地震作用時(shí)，t時(shí)刻在左端第一個(gè)質(zhì)量單元上施加集中力(F₁)：

式中a(t)為t時(shí)刻的地震加速度值。

依次在左端第i點(diǎn)質(zhì)量單元都施加上集中力(F_i)：

式中t₀為地震波通過(guò)兩彈簧間距離所需要的時(shí)間。

2.3 實(shí)例分析

某埋地輸氣管道輸送壓力為8 MPa，管材為X52，管徑為355 mm，平均壁厚為7 mm，埋深為l m，回填介質(zhì)為中砂，鋼材彈性模量為2.06×10⁵MPa，屈服強(qiáng)度為359 MPa，屈服后剛度比為0，泊松比為0.3，密度為7 800 kg／m³。當(dāng)?shù)鼗玖叶葹?span lang="EN-US">8度，場(chǎng)地條件為Ⅲ類場(chǎng)地。不計(jì)氣體內(nèi)壓及靜土壓力在地震中的影響。取計(jì)算管道長(zhǎng)度為200 m，地震波速為l00 m／s。同時(shí)土彈簧間距為2 m，爆破地震波采用圖3、4的人工模擬地震波波形對(duì)管道輸入人工爆破地震荷載。相關(guān)模擬結(jié)果如圖5～8所示。

研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)分析管道長(zhǎng)度大于200 m，邊界條件對(duì)所取管段中間部位的反應(yīng)影響很小，可以忽略，因此，管道中部的響應(yīng)就可以代表整個(gè)管道中大多數(shù)位置的響應(yīng)程度。通過(guò)得到管道中間點(diǎn)與它對(duì)應(yīng)質(zhì)量單元的軸向位移，將管道中間點(diǎn)位移變量與土壤位移變量相減得到相對(duì)位移變量，就反映出爆破地震中管道與土壤的相對(duì)位移。

圖8顯示了管道50號(hào)節(jié)點(diǎn)von-mises等效應(yīng)力在整個(gè)爆破地震波作用周期內(nèi)的變化趨勢(shì)，在第4.8 s時(shí)管道中間節(jié)點(diǎn)應(yīng)力達(dá)到170 MPa，仍然處于彈性階段。由于描述地震破壞作用的主要參數(shù)是軸向應(yīng)變，而此算例的軸向應(yīng)變最大值為0.0011，與采用抗震規(guī)范法中計(jì)算出的最大軸向應(yīng)變?yōu)?span lang="EN-US">0.001 3極為接近，也證明了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者所做的爆破地震作用下的管道動(dòng)力反應(yīng)分析是在空管狀態(tài)下的研究結(jié)果，國(guó)內(nèi)對(duì)于此類問(wèn)題的現(xiàn)場(chǎng)爆破實(shí)驗(yàn)也是空管狀態(tài)下進(jìn)行的，這與管道實(shí)際的帶壓狀態(tài)有一定的出入。考慮到輸氣管道具有向高承壓、大口徑方向的發(fā)展趨勢(shì)，因此，有必要在后續(xù)的研究過(guò)程中引入流固耦合分析，從而更加準(zhǔn)確地了解管道在爆破施工甚至天然地震作用下的動(dòng)力反應(yīng)，為油氣管道的安全輸送提供保障。

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本文作者：彭星煜梁光川 張鵬 喻建勝 何莎 宋日生

作者單位：西南石油大學(xué)  中國(guó)石油川慶鉆探工程公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院