基于应变设计的钢质管道在逆断层作用下失效模式研究

At present, the design of long distance oil/gas pipeline，city gas supply pipeline and main water-supply steel pipeline are being developed from the stress-based design to the strain-based design, especially for those pipelines suffering large ground permanent deformation when crossing active faults, the landslide area and liquefaction zone. As a thin shell structure, the compression movement caused by reverse fault is the most dangerous for a steel pipeline. According to the concept of strain-based design, the allowable compressive strain 0.3t/D of the steel pipe under the action of the reverse fault is too conservative, and the ultimate compressive strain is worthy of further study. In order to consider the situation of the pipe and soil detachment, the nonlinear contact model is applied for the pipe-soil interaction, and the three-dimensional finite element method is adopted to analyze the failure process of steel pipe, considering the soil gravity collapse after upward-movement . The effects of fault dip angle, pipe’s diameter-thickness ratio, steel material properties, internal pressure and other factors on the pipe failure mode are studied with the FEM after verified with the experimental results of soil test box. Based on fracture mechanics theory, FEM and load experiment, the ultimate compressing strain is discussed for the engineering commonly used steel pipeline under the compression load, bending load and internal pressure at the same time, and the research result could provide the basis and reference for the future strain-based seismic design of steel pipeline.

目前长距离的输油气钢质管道、城市燃气管道和给水干线钢管等重要管道的工程设计正在从应力设计发展到应变设计，特别是那些通过活动断层、滑坡区和砂土液化区等会发生较大地面永久变形的管段。钢质管道作为薄壁壳体结构，逆断层的压缩作用对其威胁最大。按照基于应变设计的理念，在逆断层作用下钢管的允许压缩应变按照0.3t/D计算过于保守，其极限压缩应变值得进一步深入研究。为了考虑逆断层作用下管土脱离的情况，本申请拟采用非线性接触模型探讨管土相互作用机制，同时考虑断层土体向上逆冲后的重力坍塌效应，建立三维有限元模型分析钢管的破坏过程，并与土箱实验结果进行对比检验；然后进一步研究断层倾角、钢管径厚比、钢材力学特性及内压等因素对钢管失效模式的影响，最后基于断裂力学理论、荷载实验和数值分析探讨工程上常用的钢管在压缩荷载、弯曲荷载和内压共同作用下的极限应变值，为今后钢质管道基于应变的工程设计提供依据和参考。

钢管被广泛应用于国家长输油气管道和城市供水供气管道等生命线工程。国内外大量震害现场调查分析发现：断层位移是导致钢管破坏的主要因素之一。因为钢管是一种薄壁壳体结构，因此断层的逆冲位移容易造成钢管发生屈曲破坏。目前管道的抗震设计已经从应力设计发展到应变设计。深入研究钢质管道穿越逆冲断层的破坏机理是本项目的研究目标。本项目总结分析了国内外钢质管道在逆冲断层作用下的震害经验教训，收集整理了集集地震、汶川地震等逆冲断层的近断层强震记录。在本项目资助下，开展了逆冲断层作用下的管道土箱振动台试验。在试验中，考虑了不同径厚比（D/t）、埋设深度(h)对管道变形的影响，观测了断层土体向上逆冲后的重力坍塌现象。在管道三维有限元模型中采用接触单元的方法，研究了管土脱离现象。本项目阐明了逆断层作用下钢质管道的破坏过程及失效模式：钢质管道穿越逆冲断层时，其主要是遭受位移控制的载荷作用。逆冲断层的位错方式、断层倾角和大小是关键的抗震设计参数。管道的容许压缩应变与管材力学性质、几何尺寸、焊缝缺欠、表观韧性、几何偏差、内压等诸多因素有关。对比了多个管道的允许压缩应变计算公式，在可以准确获得上述参数数值的情况下，取最小值作为管道的容许压缩应变。本项目提出了符合应变设计要求的钢质管道通过逆断层的抗震设计准则和方法，断层倾角越小管道受压缩越严重，建议管道选择断层逆冲位错量小、倾角大的位置穿过。在周围环境许可的情况下，调整管道的穿越角断层在管轴方向的压缩位移最小。项目研究成果在大北南疆输气管道工程等实际管道穿越逆冲断层的抗震设计中得到应用，具有一定的工程实用和推广价值。