目前全国范围大多数市政管网, 没经过正规的抗震设计, 在强烈地震袭击下, 管网系统的破坏和由此造成的生命财产的损失严重。本文对地下管道的地震破坏原因和机理作了简单分析, 并提出地下管道在设计和施工中应考虑地震的作用和地下管道应采取的抗震措施。
1 地下管道的地震破坏
有关地震后地下管线性状资料分析和一系列调查报告说明, 沿管道纵轴作用的地震是这些构筑物破坏的主要原因之一。最重要的损坏首先发生在可见地震位移通过的那些地段, 在土中约束很好的地下管道对地震位移非常敏感。典型的损坏为直线段和曲线段带有等强度接口的钢管道断裂和失稳 (在纵向力和压力作用下) 。
1.1 地下管道的地震破坏机理分析
根据大量的地震观测, 地震对地下管道的破坏机理分析可得到: (1) 地震行波沿管道传播和土层变形。 (2) 发生管道轴向拉长 (缩短) 或埋设在不同动力特性土中的相邻管段不同变形引起的弯曲变形使地下管道发生破坏。 (3) 管道事故与管道走向和地震行波传播方向之间关系有关。 (4) 规律证实, 随着地震烈度的增加不同材质的管道损坏率拉平。
1.2 管道破坏的主要形式和特征
地下管道的地震破坏主要形式和特征可归纳为: (1) 接头破坏。 (2) 钢筋混凝土管、石棉水泥管和铸铁管出现纵向和斜向裂缝。 (3) 应变集中和运动相位的不一致而造成破坏。在三种破坏形式中, 管体破坏一般是由于地面断裂、滑波等严重场地震害所引起, 或由于管体本身缺陷和腐蚀严重等原因。而接头的破坏是最为普遍的。
2 地下管道的地震破坏估算
地下管道的地震破坏模式很多, 本文只针对分节承插式管道接口变形和焊接连续管道的焊缝强度破坏作简要估算。
2.1 分节承插式管道
分节承插式管道震害判断准则:∆L为组合的轴向伸长, [ui]为接口基本完好许用伸长 (单位:cm) , 当<[ui]时, 认为管道基本完好;当[ui]<∆∆L
现在分别计算: (1) 地震造成的管轴向变形∆Lr:假定地震波为平面剪切波, 管道受到剪切波的作用 (与管道成φ角) 会产生轴向位移, 由于管道本身的刚度作用, 位移幅值要比同方向土的变形小些, 因此引入传递系数ξ, 那么管道轴向应变量幅值等于:ε1=εg⋅ξ。
其中:εg=V/CR;V为地面运动速度;为CR为面波传播速度;ξ为传递系数。在剪切波作用下, 管道产生的轴向变形在同一瞬间可能包含若干个接口, 接口外的拉伸变形可能使接口破坏, 由应变⊿Lr累积形成的拉伸变形为:∆Lr=C1⋅L⋅εr。
其中, C1为接口形式折减系数。
(2) 土静压力造成的轴向变形∆L s:当管道的埋深为H时, 土的静压力造成管径向收缩和轴向拉伸, 但这些变形受到同周围土体的限制, 实际上轴向产生压缩应变εs:
其中:ρs=21+K0⋅γ⋅H;D为管外径;δ为管壁厚;E为管弹性模量;η为应变调整系数;K0为管侧横向土压力系数;γ为土的重度;H为覆盖层厚度加管径。压缩变形为:
(3) 水内压造成轴向变形。水内压造成的管道轴向变形和土静压造成的轴变形相反, 是拉伸应变
其中:Pn为流体内压;µ为管材泊松比。拉伸变形为:∆Lh=εh⋅L。
2.2 连续焊接管
焊接式连接管道易损性评定中主要以应力值作为控制量。综合考虑四种作用效应:震波、埋深土静压力、温度以及介质内造成的管道应力, 以组合应力作为判断指标。
将以上四项沿管轴向的应力叠加得到轴向应力, 所有环向应力叠加得到环向应力, 然后应用第三强度理论计算出组合应力, 根据判断准则评价震害等级:σ≤[σr], 基本完好;[σr]<σ<[σb], 中等破坏;σ≥[σb], 严重破坏。
3 地下管道的抗震措施
本文总结出对地下管道在改建及新建工程中可采取的处理措施: (1) 管道铺设尽力避开不规则场地、土壤易液化区、地壳易下陷断层地带, 而布置在均匀土质中。 (2) 如管道不可避免地要铺设在不均匀土质区, 及场地条件差异较大的交界区, 要采取特殊防震措施。 (3) 管道接口用胶圈柔性接口, 而不用刚性接口。 (4) 小口径管尽量使用厚壁管。 (5) 在管道分支点、转弯 (三通、弯头) 等处, 闸阀、管道与构筑物的连接处, 应设置柔性接头。
4 结语
随着城市地下管道建设的步伐加快, 必须深入研究地震和振动对地下管道的影响特别是导致地下管道破坏机理, 为抗震设计提供必要的依据, 在必要的情况下应制定地下管道抗震设计的标准。
摘要：地下管道工程的震害及功能失效对正常社会生产及生活有很大影响。本文总结了地震对地下管道破坏的情况, 对地下管道的地震破坏原因和机理作了简单的分析, 并提出地下管道在设计和施工中应考虑地震的作用和地下管道应采取的抗震措施。
关键词：地下管道,地震,破坏,抗震措施
参考文献
[1] A.C.格赫曼, X.X.扎伊涅特季诺夫.管道的抗震设计施工与监护[M].地震出版社, 1992.
[2] 顾渭建.城市地下建筑非结构地震震害与对策[J].特种结构, 1996.