地震载荷作用下海底管道轴向力简化计算

　　地震是一种常见的自然灾害,地震时地震波从震源传播到地表层土壤引起地面变形,地面变形时土壤夹裹管道一起位移,海底管道由于变形过大而受到破坏[1]。因此,研究海底管道的抗震性能,保证海底管道在地震期间不发生破坏是很有必要的。根据地震波在地表层传播时的不同特征及动水压力的影响,分析和研究了由于地震波传播引起的土壤变形及动水压力对海底管道的作用,给出了海底管道强度的简化计算方法。同时对实例进行分析,并得出在地震烈度为9度的地区,海底管道不会发生破坏。

　　1 土壤变形对海底管道的作用

　　在地震期间,地震波在地表层土壤中传播引起地面位移。沿地面传播的地震波可分为3类,包括纵波、横波、瑞雷波。瑞雷波可以看成为由纵波和横波迭加而成。横波在传播过程中使地表层土壤发生剪切变形,而纵波在土壤中传播使土壤发生压缩变形。地震时地震波从震源传播到铺设管道的场地,地震波的传播方向和管道轴向的夹角可以是任意角度,事先是无法知道的。但是,根据横波和纵波的传播特性。任何一横波或纵波当沿着与管轴向成一定夹角的方向传播时,都可以分解成沿管轴向传播的横波和纵波[2]。

　　如图1所示,一振幅A0为的横波,其传播方向Xc与管轴向X0的夹角为H,传播速度为C。这个振幅为A0的横波可以分解为两种波,一是振幅为A0sinH的压缩波,二是振幅为A0cosH的剪切波,两者都沿着X轴方向传播,传播速度为C/cosH。纵波也与此相同。因此,地震波的传播方向与管轴向的相对方位可分为这4种基本情况。

　　地震波在土壤中传播引起地面位移。由于地震波在其传播过程中其波形随时间发生变化。在给定时刻,地面上不同地点的位移显然是不同的。由于不同地点的地面位移不同,土壤夹裹管道发生了大小或方向不同的变形,使管道内产生应力和应变。根据横渡和纵波不同的传播特点,当压缩波的传播方向与管轴方向垂直时,管道发生弯曲变形。而当压缩波的传播方向与管轴方向一致时,管道产生轴向应变。而横波正好相反,当横波传播方向与管轴方向一致时,管道产生弯曲变形,当横波传播方向与管轴方向垂直时,管道产生轴向变形。事实证明,对于这4种基本情况,地面沿管道轴向位移所产生的管道拉伸变形容易造成管道的损坏。而在土壤夹裹管道发生横向变形时,由于管道一般很长,少量的弯曲变形产生的管道弯曲应力较小,不易对管道造成破坏[3]。

　　海底管道的地震反应特点不同于一般地上建筑结构。管道埋设在土壤中,在地震时随土壤一起运动,由于管道的重量相对于夹裹其土壤的重量要小得多,再者由于土壤的限制,管道的振动将不能被放大,因此可以忽略作用在埋地管道上的惯性力。在忽略了管道上的惯性力后,对给定的地面位移,管道内的应力和应变仅与土壤的刚度和管道与土壤间的摩擦力有关。以下采用静力结构分析法对埋地管道进行应力分析和强度计算。