地震时海底悬跨管道动力特性试验研究

摘要：铺设在地震活跃区域的海底管道可能在地震荷载作用下发生破坏。利用水下振动台研究了海底悬跨管线在地震作用下的动力反应。试验中考虑了地震波输入方向、管道端部支撑情况、悬跨高度、悬跨长度和管内是否有水等因素。完成了这些因素组合的120组试验，得到海底悬跨管道动力响应特性。试验结果表明水中管道与陆地悬空管道的动力反应存在明显差别；悬跨长度是控制管道反应的关键，水平地震输入对管道反应起控制作用，海底悬跨管道在地震作用下的反应与受波和流作用下的反应也存在差别。

关键词：海底悬跨管道 水下振动台 模型试验 地震反应

　　铺设在海底面上的管线由于海底面高低不平，悬跨线的出现不可避免；海流的长期冲刷、淘蚀也会在海底泥沙和管线之间形成孔洞。因此当水流横向流过管线时，就会出现涡流振动和波激振动从而导致管道疲劳破坏的可能性。渤海是地震活动区，根据评估该地区地面水平地震加速度在0.2～0.25g。地震时，由于悬跨管线海底支承处的地震位移和加速度及地震引起的动水压力，会对管线安全造成威胁。在渤海，地震与工作载荷组合成为管道强度控制条件^[1]。相当多的文献论述了埋设在海床面下的管道在地震荷载作用下的反应^[2-5]。而最新的挪威船级社规范DNV1997有关悬跨管道部分也只规定了因波激振动和涡流振动导致管道疲劳破坏的设计方法和准则^[6]。笔者利用新近改造完成的MTS水下振动台，考虑多种工况完成120组地震荷载下海底悬跨管道模型试验。根据试验数据，分析了海底悬跨管道在地震时的反应特点，研究了影响管道动力反应的主要因素。

1 试验设备

1.1 水下振动台介绍 大连理工大学海岸和近海工程国家重点试验室在从美国MTS公司引进的一维水平单向大型电-液伺服控制地震模拟系统基础上，将原振动台改为水平与垂直两向激振的水下振动台。图1为水下振动台平面图。在水槽中间为振动台台面；沿振动台水平振动方向在水槽两边设置消能网，消除波浪的反射作用。水槽内最大水深1.0m。

1.2 管道模型介绍 模型材料采用PVC管。模型外径D=100m，壁厚t_p=2.8mm，模型材料动弹性模量E_m=5000MPa，密度ρ=1.72×10³kg/m³。模型依据弹性相似律设计。同时考虑到严格保持几何比尺会使模型管道截面尺寸太小，不利于传感器布置和保证测量精度，故截面采用刚度相似。实验基本比尺如 下：几何比尺25.0；惯性半径比尺6.575；弹性模量比尺42.0；密度比尺1.0。其它比尺 根据基本比尺和相似关系导出。水下振动台及海底悬跨管线模型见图2。

　　为了保证原型和模型中液体质量密度的比值与模型和原型管道材料质量密度比值相等，要对模型管道进行配重。采用铅环对模型管道进行配重，配重图见图3。

1.3 量测设备和内容 为了解管道的动力特性，试验过程中量测了管道应变和加速度。加速度传感器和应变传感器布置及编号见图3。

1.4 台面输入地震波 试验中动力输入为水平方向和垂直方向Elcentro地震波。

1.5 试验工况 影响海底管道动力反应的因素非常复杂。为了较全面的研究海底悬跨管道在动力荷载下的响应，为将来理论建模和数值模拟提供依据和验证样本，本试验考虑了6个方面影响因素(见表1)，分别组合不同影响因素的不同试验工况，共进行了120组试验。在每组试验中，均测量了管道各测点加速度时程和应变时程。以这些测试结果为基础，分析各种因素对海底悬跨管道动力反应的影响。

2 模型试验结果分析

　　试验过程中，分别考虑了悬跨长度的影响、动力输入方向的影响、管道支撑情况的影响、管道外部有水和无水的影响、管道内部有水和无水的影响、管道悬跨高度的影响。

2.1 陆地管道与水中管道结果比较

2.1.1 加速度的变化 在水平输入地震波、跨长2.8m、简支约束下，图4为陆地管道测点(测点号见图3)加速度时程，图5为水中管道管内无水情况下测点加速度时程。两种情况下地震输入一致，但除了相同测点反应幅值不同外，反应波形也不相同。水中管道因为水的滤波作用，反应波形中高频分量被过滤。越靠近管道中部管道反应越大，管-水间相互作用也越大，滤波效果越明显。

2.1.2 应变的变化 图6为跨长2.8m、简支约束、管内无水下陆地管道和水中管道最大应变(ε_max)沿管轴方向(x/L₀，x为应变传感器位置，L₀为管道总长度)的变化。水平激励下陆地悬空管道应变要小于水中悬空管道应变；而在垂直激励下陆地悬空管道应变要大于水中悬空管道应变。

　　陆地悬空管道在输入水平地震波激励作用下水平方向应变与在输入垂直地震波激励作用下垂直方向应变基本相等。说明陆地悬空管道应变反应与地震波输入方向无关。

　　水中悬空管道在水平地震波激励作用下水平方向应变要远大于在垂直地震波激励作用下垂直方向应变，相差将近8倍。说明水中悬空管道加速度反应与地震波输入方向有关。

　　由于管道周围水体的存在，导致管道质量因动水附加质量而增加，管道所受地震力也随之增加，引起水中管道反应大于陆地管道反应。垂直方向动力输入时，因为管道下部受到台面(海床)的约束，垂直向流体运动受到制约，管道-流体相互作用减小，所以垂直向反应要小于水平反应。

2.2 支撑的影响 图7为跨长2.8m、管内有水情况下固端和简支约束管道最大应变(ε_max)沿管轴方向(x/L₀)的变化。从图中可以看出，对于简支支撑的管道，管道中间反应最大，然后向两端逐渐减小；对于固端支撑的管道，虽然也是管道中间反应最大，向两端逐渐减小，但距离端部1/4处达到最小，然后又逐渐增大。试验测试结果的分布趋势与梁在简支和固端约束下理论分析结果的趋势相同。无论是水平输入还是垂直输入，简支约束的应变反应大约是固端约束的应变反应的3倍。实际海底管道端部支撑介于固端与简支之间。如何合理确定管道端部约束情况对管道动力反应结果有很大影响。如果人为的每隔一段对管道施加一定的约束，可以很好的控制管道的反应。

2.3 悬空高度的影响 图8为跨长2.8m、简支约束、管内有水情况下管道上各测点(测点编号见图3)最大应变(ε_max)随悬空高度(e/D，e为悬跨高度，D为管道直径)的变化。输入地震波，应变随悬高的增加而增加，与按照传统波浪理论分析结果不一致^[7]。地震波与波浪相比，具有持时短、频率高、强度大的特点，短时间内使管道周围流体产生往复剧烈运动。从试验结果看，输入地震波时管-水间相互作用比较复杂，建立计算模型时应考虑多种影响因素。

2.4 悬跨长度的影响 图9为简支约束、管内有水情况下管道最大应变(ε_max)随跨长(L₀/D)的变化。管道应变随悬跨长度的增加而增加。管跨越长反应增加得越明显。与控制海底悬跨管道因波和流导致疲劳破坏一样，控制管跨长度是控制海底悬跨管道动力反应的决定因素。

2.5 管内有水和管内无水的比较 图10为跨长2.8m、简支约束情况下管道内有水和无水情况最大应变(ε_max)沿管轴方向(x/L₀)的变化。管内无水时，管道的应变要小于管内有水时的应变。特别是在垂直波输入下，管内无水时的应变仅为管内有水应变的1/5。管道内有水时管道受到的地震力要大于管道内无水时的情况。因此，管道内有水时管道动力反应要大于管道内无水时的情况。

参 考 文 献：

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