摘　要：針對(duì)跨斷層埋地?zé)崃艿?，建立模型，采?span lang="EN-US">ADINA有限元平臺(tái)對(duì)埋地?zé)崃艿赖膽?yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)提高跨斷層埋地?zé)崃艿腊踩缘拇胧┻M(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：埋地?zé)崃艿溃?span lang="EN-US">  斷層；  應(yīng)力；  應(yīng)變；  有限元模擬

Numerical Simulation of Stress and Strain of Buried Heating Pipeline across Fault

Abstract：The model for buried heating pipeline across the fault is built．The numerical simulation of the stress and strain of buried heating pipeline is performed by ADINA finite element platform．The measures for increasing the safety of buried heating pipeline across the fault are discussed．

Keywords：buried heating pipeline；fault；stress；strain；finite element simulation

埋地?zé)崃艿朗浅鞘谢A(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，在地震等自然災(zāi)害荷載下的破壞評(píng)價(jià)，是防震減災(zāi)及救援的基礎(chǔ)^[1]。本文采用ADINA有限元平臺(tái)，對(duì)跨斷層埋地?zé)崃艿缿?yīng)力與應(yīng)變數(shù)值模擬，并對(duì)提高跨斷層埋地?zé)崃艿腊踩缘拇胧┻M(jìn)行探討。

1　模型建立

選取土體模型的寬×長(zhǎng)×深為7m×10m×8m，設(shè)定土體為雙層結(jié)構(gòu)(上層為土壤，下層為巖石)，且存在斷層，管道跨越斷層敷設(shè)，斷層與管道夾角為45°。管道采用雙線性塑性材料模型，施加在模型上荷載分別考慮靜荷載、動(dòng)荷載，靜荷載為重力荷載，動(dòng)荷載包括位移荷載、地震力。重力荷載為整個(gè)模型的重力，方向?yàn)榇怪毕蛳?；位移荷載取5×10⁶N，方向?yàn)檠財(cái)鄬幼呦颍坏卣鹆θ?span lang="EN-US">200N，方向?yàn)檠財(cái)鄬幼呦?。管道壁厚?span lang="EN-US">12mm，外直徑為400mm，管中心埋深為2m。斷層間距為0.2m，錯(cuò)動(dòng)距離為0.5m，管體與巖土的摩擦系數(shù)取0.4。

設(shè)定單元類型：定義管道為殼單元：shell element，巖土定義為三維實(shí)體單元：3D solid element，斷層處不設(shè)單元。設(shè)定材料屬性：a．鋼材彈性模量為2.07×10⁵MPa，泊松比為0.29，密度為7800kg／m³。b．巖土分層情況為：上層為砂黏土，下層為石灰?guī)r，將巖土的特性參數(shù)輸入ADINA，管道位于砂黏土層。單元類型、材料屬性完成設(shè)定后，采用ADINA-M選單下的Parasolid建立幾何模型，用切片Sheet和體修改器Body Modifier對(duì)幾何體進(jìn)行修飾。切片Sheet用于切出斷層，體修改器Body Moditier用于將斷層與巖土分開。最后通過ADINA中的布爾操作(Boolean Operator)實(shí)現(xiàn)管道與巖土、斷層之間的融合。

斷層是土體之發(fā)生相對(duì)位移的破裂面，斷盤指斷層兩側(cè)的巖土，位于斷層之上的稱為上盤，斷層之下的稱為下盤。將斷層運(yùn)動(dòng)考慮為其中一盤相對(duì)靜止，另一盤相對(duì)該盤運(yùn)動(dòng)，將約束加在相對(duì)不動(dòng)的一盤上。設(shè)定上盤為運(yùn)動(dòng)盤，下盤為相對(duì)靜止盤。重力荷載直接加到整個(gè)模型上，方向垂直向下；位移荷載加到上盤，方向沿?cái)鄬觾A角斜向下；地震力集中作用到上盤。模型網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖1，管道選用8節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格，土體選用4節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格。

熱力耦合是指溫度場(chǎng)與結(jié)構(gòu)之間的相互影響和相互作用?；诼竦?zé)崃艿雷陨淼奶厥庑?，綜合考慮管土相互作用以及熱力耦合作用，使兩種作用融合到一起，并考慮管材、地質(zhì)條件以及周圍環(huán)境的影響。應(yīng)用ADINA-Structures建立結(jié)構(gòu)模型，應(yīng)用ADINA-Thermal建立熱力模型。運(yùn)用TMC熱力耦合分析求解器進(jìn)行熱力耦合計(jì)算，對(duì)埋地?zé)崃艿雷冃谓Y(jié)果進(jìn)行分析，調(diào)整參數(shù)，對(duì)不同參數(shù)模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

流固耦合考慮的是管道與流體之間的耦合，ADINA需要分別建立流體模型、管道模型，然后選定流固耦合相互作用(Fluid Structure Interaction)選項(xiàng)來考慮流固耦合。

2　模擬結(jié)果及分析

模擬結(jié)果分析中的名稱及指代含義見表1。埋地管道內(nèi)水流速為10m／min。

①管道與土體摩擦力

模型只受重力荷載作用時(shí)，無論是否考慮管道與巖土之間的摩擦力，管道軸向應(yīng)力、軸向應(yīng)變基本保持不變，考慮管道與巖土之間的摩擦力時(shí)管道軸向應(yīng)力、軸向應(yīng)變明顯下降，這說明管道與巖土之間的摩擦力可減小管道的軸向應(yīng)力、軸向應(yīng)變。模型只受地震力作用時(shí)，當(dāng)?shù)卣鹆^小時(shí)，管道與土體的摩擦力對(duì)管道起控制作用；當(dāng)?shù)卣鹆ν黄颇Σ亮刂茣r(shí)，摩擦力可削弱管道的軸向應(yīng)力、軸向應(yīng)變。

②管道埋深

其他條件不變，分別對(duì)管中心埋深分別為l、2、3、4m時(shí)的剪應(yīng)力進(jìn)行模擬。由模擬結(jié)果可知，隨著管中心埋深增大，管道的剪應(yīng)力基本呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。這說明管道埋深越大，管道在跨越斷層時(shí)越容易被破壞，因此管道在穿越斷層時(shí)應(yīng)盡量淺埋。

③熱力耦合作用下的管道破壞分析

熱力耦合模型將管內(nèi)介質(zhì)視為熱源，熱源溫度為120℃。熱力耦合模型分別模擬靜荷載(重力荷載)、動(dòng)荷載(位移荷載、地震力)下管道的軸向應(yīng)力、應(yīng)變。當(dāng)只考慮靜荷載時(shí)，熱力耦合(即考慮溫度影響)作用對(duì)管道的軸向應(yīng)力、應(yīng)變影響較大，與不考慮溫度相比，軸向應(yīng)力、應(yīng)變有大幅提高。這說明管道軸向破壞應(yīng)變主要是由材料受熱膨脹引起的。當(dāng)只考慮動(dòng)荷載時(shí)，熱力耦合作用下管道軸向應(yīng)力增長(zhǎng)比環(huán)向應(yīng)力增長(zhǎng)快。

④流固耦合作用下的管道破壞分析

其他條件不變，水流速分別取10、30、50、100m／min。當(dāng)只存在重力荷載時(shí)，隨著流速增大，管道軸向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力、軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變均呈增大趨勢(shì)。因此，流速越高對(duì)管道越不利。

3　提高安全性的措施

①管土之間的摩擦力在抗管道破壞中起主要作用，可以通過提高巖土與管道間的摩擦力來提高管道抗破壞的能力。

②考慮溫度時(shí)，對(duì)管道的軸向應(yīng)力影響較大，因此可以通過布置管道軸向補(bǔ)償器來減少溫度引起的軸向破壞。

③管道應(yīng)力水平與水流速基本成正相關(guān)關(guān)系，因此應(yīng)合理控制管內(nèi)水流速。

參考文獻(xiàn)：

[1]段潔儀，劉艽，陸景慧．供熱管網(wǎng)地震破壞等級(jí)劃分探討[J]．煤氣與熱力，2013，33(1)：A18-A20．

本文作者：張衛(wèi)忠

作者單位：唐山市熱力總公司