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埋地管线是城市基础设施的重要组成部分,是城市赖以生存和发展的物质基础,一旦遭到地震破坏,将造成极大的经济损失。故有必要对地震断层作用下的埋地管线进行反应分析和破坏机理研究,为跨越断层埋地管线的抗震设计、加固、改造等工作提供技术支撑。
本文在总结国内外有关理论和方法的基础上,考虑埋地管线与土介质的相互作用,分析了管道作为薄壳结构的断层位错反应,并通过算例加以验证。本论文的主要工作如下:
首先,回顾了以往埋地管线抗震理论和分析方法,分析埋地管线破坏的原因,确定跨越断层埋地管线的影响参数。
其次,在总结分析非线性理论的基础上,本文采用空间四节点薄壳结构模拟管线,土体采用三维实体单元,运用非线性接触方法建立管土相互作用模型;并考虑了管线和土体本身材料非线性、大变形时几何非线性以及相互作用时接触非线性,采用静力加载的方式对跨越断层埋地管线进行反应分析。以商业软件ABAQUS为平台,通过具体算例得出管线受力及变形趋势,找出管线的危险截面,为提高管线抵抗断层性能提供理论基础。分析了土体应力传播趋势,研究了管土相互作用节点压强状态变化的一般规律,计算结果表明管土之间存在强烈的接触非线性,管线与土体之间的接触状态不断从初始的粘结状态转化为滑移、分离,位错越大发生滑移、分离的节点越多,非线性反应越强烈。
最后,对模型区域的选取,通过分析比较模型尺寸变化对管线等效塑性应变的影响,确定本文所用模型的合理尺寸。定性分析了参数变化(如摩擦系数、壁厚、内摩擦角、位错量等)对管线安全性的影响,认为管道参数、土体参数等因素不容忽视的,并针对不同场地条件提出抗震措施。