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管道抗震设计规范有关地震作用的综述

2023-10-23 来源:步旅网
维普资讯 http://www.cqvip.com 第9期(总第345期) 2007年9月 国际地震动态 No.9(Serial No.345) September,2007 Recent Developments in World Seismology 管道抗震设计规范有关地震 作用的综述米 刘爱文 (中国地震局地球物理研究所,北京100081) 摘要本文通过介绍中国、日本、美国、英国、挪威的相关管道抗震规范,阐述了 目前管道应变设计和性能设计的理念、方法以及对地震作用输入的要求。通过比较各国 管道抗震设计规范,保证震后管道维持其服务功能的抗震设计理念已经得到了全世界范 围的认可。现在的管道设计正向性能设计的方向发展,并提出了两级抗震设防的方法。 其中,第二级以管道不发生泄漏为抗震设防目标,对管道的地震安全性评价工作提出了 更高的要求,管道设计需要的地震动和地面永久变形参数也越来越多。在目前管道工程 的地震安全性评价工作中,存在概率方法和确定性方法这两种方法并举的局面。针对管 道的抗液化和滑坡设计,地面永久位移可以利用分解的地震安全性评价概率方法得到。 针对管道的抗断设计,断层未来位错量的估计方法现在仍以确定性方法为主,概率方法 因为断层位错量沿着破裂带的分布较为复杂仍有待进一步研究。 关键词 管道;抗震设计规范;性能设计;地震作用;地震危险性分析概率方法;设定地震 中图分类号P315.9 文献标识码A 引言 管道遭受地震破坏可以追溯到上个世纪 初的美国旧金山大地震(1906年),而管道 的抗震设计得到真正的重视应该是在上世纪 七十年代以后。1971年San Femando地震给 集集地震中穿过车笼蒲发震断层的管道在断 层作用下破坏尤其严重。这些地震的经验教 训促使人们不断地修订已有的管道抗震设计 规范。目前管道的抗震设计已从过去的弹性 设计向塑性设计发展、从原来的应力设计向 应变设计发展,相继提出了极限状态设计、 性能设计和后果设计。 圣安德烈斯断层附近的埋地输气管道造成了 450处破坏,煤气管网毁坏严重。在这次地 地震作用对管道产生破坏的原因可分为 两类:一类是强地面运动;另一类是地面的 震之后世界各国才纷纷出台了管道的抗震规 范。1994年日本神户地震( w7.3,都市直 下型地震)、1999年我国台湾集集地震 ( w7.6)以及土耳其Kocaeli( w7.4)地震 后,大量的管道在地震中发生破坏,尤其是 收稿日期:20o7_09_08。 资助项目:国家科技支撑计划项目20o6BAC13I砌2“地下 工程与长输管线地震作用输入”。 永久变形,如由断层运动、砂土液化、滑坡 等引起的场地破坏。以往多次地震经验表 明,对埋地管线影响最大的是断层引起地表 破裂,其次是砂土液化和滑坡,最后才是强 地面运动。不同的管道设计理念和方法,对 地震作用的输入要求也必然不同。随着管道 抗震设计的发展,对地震作用输人的要求越 维普资讯 http://www.cqvip.com

国际地震动态 2007正 来越高。例如,对重要管道进行极限设计 时,需要输人超越概率较小的地震动参数, 以校核在大震作用下管道的应变反应是否符 合不至于导致严重次生灾害的设计目标。这 也就要求管道工程场地的地震安全性评价需 要进行更加细致深人的工作。 本文在对比分析各国有关管道的抗震设 计规范的基础上,阐述了管道两级抗震设计 方法。从管道抗震设计需要的角度,本文探 讨了确定管道抗震设计所需的地震动等参数 的方法,对概率方法和确定性方法在管道工 程场地地震安全性评价中的应用进行了 讨论。 1各国管道抗震设计规范 1.1我国规范 1976年唐山地震对管道造成了严重破 坏,唐山市整个供水管网瘫痪,管道震害率 达到每公里4处;秦皇岛到北京输油管道共 有4处破坏。2007年6月3 13的宁洱6.4级 地震属于近城市的浅源地震,造成宁洱县城 城区供水管道严重破坏,全城供水中断。近 些年来其他地震,如包头地震、丽江地震等 近城镇地震,亦造成给排水管道的破坏。与 其他国家比较,由于我国大多数地震发生在 农村或者无人区,管道的震害经验和教训相 对较少。 虽然我国管道的抗震研究起步较晚,在 吸取国内外管道震害经验和研究成果的基础 上,现在我国的管道抗震设计规范已经从过 去的应力设计(强度校核)发展到现在的应 变设计(变形校核)。这里包括2003年出版 的《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计 规范》(GB50032--2003)…和2004年出版的 《输油(气)埋地钢质管道抗震设计规范》 (SYT0450--2004)。 我国最新的《输油(气)埋地钢质管道抗 震设计规范》(SYT0450--2004)采用了变形 控制理论,实行“预防为主”的方针,在遇到 地震影响时,避免或减少输油(气)钢质管道 的破坏和防止次生灾害发生,便于抢修和迅 速恢复使用。该规范采用了最新《中国地震 动参数区划图》(GB18306)的地震动参数代 替原来的地震烈度,地震作用的输人包括 PGA、PGV和PGD等 。 1.2 日本规范 31本是一个地震多发国家,管道等生命 线系统的抗震研究也开展得较早。1974年3 月,13本基于有关管道地震对策调查报告制 定了《输油管道技术基准》。该规范被用于 1978年东京成田国际机场燃料输送管道的 工程设计。随后13本各管道协会推出了相应 的抗震设计规范:1979年13本水道协会出版 了《水道设施的耐震工法指针・解说》;1982 年13本天然气协会出版了《天然气导管耐震 设计指针》,该规范包括高压天然气管道和 一般压力(中、低压)天然气管道两个部分; 1984年13本建设省土木研究所出版了《共同 沟耐震设计要领(案)》;N1-r筑波场地技术 开发中心在1987年出版了《地下管路设备的 耐震设计指针(案)》。在这些13本规范中, 管道抗震设计主要采用的是应答变位法,即 变形反应方法。 1995年13本阪神地震之后,13本各管道 协会又分别对各自的规范进行了修订。例 如,日本水道协会1997年出版了修订后的 《水道设施的耐震工法指针》,将埋地供水管 道按照两级地震动水平设计,一级地震动水 平GML1规定的地震复发周期为100~200 年,二级地震动水平GML2则规定为一直接 发生在该城市的M6.8地震,相当于阪神地 震那种情况 。 1.3美国规范 早在1915年美国就开始探讨编写一个 国家级的压力管道规范。1926年美国标准协 会(American Standards Association)启动了 B31项目,并于1935年试行了美国压力管 道第一本标准规范(American Tentative 维普资讯 http://www.cqvip.com

第9期 刘爱文:管道抗震设计规范有关地震作用的综述 31 Standard Code for pressure piping,B3 1), 成立了生命线地震工程委员会(Technical Council on Lifeline Earthquake Engineering, 1951年颁布了B31.4和B31.8。 1971年San Fernando地震之后,管道等 生命线的抗震问题得到重视,相应的学术组 TCLEE),1975年美国机械工程学会(Amer-- ican Society of Mechanical Engineers,ASME) 织也开始成立。1974年美国土木工程学会 (American Society of Civil Engineers,ASCE) 也成立了类似的生命线学科组。各种管道有 关的抗震规范也都相继出版(见表1) J。 表1与管道有关的美国规范列表 2001年911事件之后,美国生命线同盟 会(American Lifelines Alliance,ALA)成立, (USGS,1997)、强风/龙卷 台风风险水 平区划图(ASCE,2002;ICC,2002;NOAA, 1999)、洪水风险水平区划图(USGS, 其目标是减轻生命线系统受自然灾害和人为 威胁(如爆炸、恐怖袭击等)风险。ALA受美 国联邦紧急事务管理局(Federla Emergency Management Agency,FEMA)资助,由国家建 筑科学研究所(National Institute of Building Sciences,NIBS)进行管理,其任务为对现有 的规范进行修订,提出评估各生命线系统防 御各种灾害能力的方法。这些修订后的规范 和评估方法在其网站w、 .americanlifelines— alliance.org上可以自由下载。美国规范修 订有两个显著的特点:①增加了抵御爆炸 1997)、冰冻风险水平区划图(USGS, 1997)。 1.4其他国家的规范 与管道有关的英国规范为BS8010,该 规范基于应力设计,要求管道的应变小于 0.1%、管径和管壁的比例D/t<60,但是该 规范不适用于高温高压管道等需要进行应变 设计的情况。一个常被海底管道设计采用的 规范是挪威的《Det Norske Veritas(DNV) Pipeline Codes(1996)》。该规范在2000年进 行了修订,所以被简称为DNV 2000。在大量 的各种管道实验的基础上,该规范给出了跨 海管道的极限状态设计方法,并应用于一条 穿越黑海的管道设计中。该规范的设计理念 是考虑管道所有可能的失效模式,基于各种 工况实验得到的数据和大量有限元模拟的结 等人为破坏作用的内容;②采用性能设计 的理念进行修订。如美国《供水管道系统抗 震设计指南》(2005)把供水系统中的管道根 据其在震后救灾和恢复的重要性分为4类, 给予不同的设防水准,分别进行抗震设计。 另外,美国还编制了全国的地震风险水平区 划图(FEMA,2002)、滑坡风险水平区划图 果,判明管道各种失效模式发生的机率,计 维普资讯 http://www.cqvip.com

32 国际地震动态 2007年 算管道相应此种失效模式的安全系数,目标 的钢材或者PE等管材,或者在两个管段的 是达到管道工程在整个寿命期内的投资最优 相接处采用柔性接头。目前管道抗震设计普 化设计 I6 。 遍采用的是应变设计。应变设计是一种将结 DNV管道设计规范考虑的典型极限状 构的应变而非应力作为控制值的设计方法。 态包括:①管道所能承受的极限压力;② 应变设计适合于材料的应力应变曲线在应变 组合外部荷载和管内流体冲击荷载等引起的 超过塑性屈服点后应力值不变或者下降的情 管道局部屈曲;③管道在被挤压时发生竖 况(例如钢材、PE等)。应变设计广泛应用 向抬升形成的梁式屈曲和海底管道常见的侧 于高温/高压管道设计、海底管道设计、穿 向蛇形屈曲;④管道截面的椭圆化变形;⑤ 过极地寒冷地区管道的保温设计以及通过在 在压力和温度以及海流作用下的管材疲劳失 地面变形显著地区(地震断层活动地区、滑 效;⑥在循环加温的情况下,沿着管道存在 坡地区、砂土液化地区以及冻土地区等)的 温度差导致管道各点的应变不同有可能出现 管道设计 。 管道会发生移动的现象(Pipe Walking,又被 目前管道的应变设计提出了两级抗震设 称为Ratcheting)。极限状态设计是在大量的 防的理念。如表2所示,第一级为正常运行 研究和实验的基础上才能够进行的,这类的 状态,也即管道维持服务功能的极限状态。 管道规范还不多见。 在第一级地震动水平(GML1)作用下满足正 常运行所允许的管道变形;第二级为不发生 2管道的应变设计和性能设计 泄漏状态,即管道允许的最大极限变形状 由于影响管道最大的是地面永久变形, 态。为了不引起次生灾害,规定管道在第二 管道内的变形大小是决定管道是否破坏的主 级地震动水平(GML2)和由砂土液化引起的 要指标。管道因而也常用拉伸变形性能较好 地面永久变形以及断层位错作用下发生有限 表2管道的两级抗震设防 注:s 为管道允许的最大压缩应变;在保证管道不泄漏的极限设计时,首先用管单元方法校核,再用壳单元方法 校核。 的变形,但不至于导致泄漏。 功能,则需要使系统中的各条管道具备相应 管道性能设计是依据管道在震后恢复和 其重要性级别的性能可靠度。一条管道在整 救灾的重要程度采取不同的抗震设防水准的 个系统中的位置越重要,则要求其性能可靠 一种设计方法。从性能设计的角度,为了达 度越高。管道性能可靠度的高低取决于该管 到整个管道系统在震后维持必要的基本服务 道在设计时它的地震安全余度的大小,换句 维普资讯 http://www.cqvip.com

第9期 刘爱文:管道抗震设计规范有关地震作用的综述 33 话说,按照地震50年超越概率较低设计的 务功能,将供水管网中的各条管道分成I、 Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等4个级别(如表3所示)。同一 个供水系统的不同级别的管道按照不同的抗 震设防水平进行设计。 管道抗震能力越强,管道的地震安全余度越 大。例如,美国《供水管道抗震设计指南》 (2005)根据管道在系统中的重要性及其服 表3供水管网性能设计的(ALA,2005) 级别 管道分类 震后可以几周后甚至更长时间修 复的无关紧要的管道(例如浇灌用 水的管道) 支管 主干管道 。s I Ⅱ Ⅲ 无定义 475 975 10%不进行抗震设计 Df Dl D3 5% 2% 1.5 D, 2.3 D, 1.35 Dz 1.5 D2 1.6 D 2.6 D Ⅳ 连接水厂和水源的送水管、重要的 主干管、消防管道等,震后必须立 即修复的管道 2475 注: :断层的平均错动量; :液化引起的地面永久位移;D :滑坡引起的地面永久位移;这三个参数均按照复发周 期为475年的地震来计算。 3管道抗震设计的地震输入 管道抗震设计的地震输入参数是通过管 道工程场地地震安全性评价工作得到。管道 工程场地的地震安全|}生评价方法分为概率方 法(PSHA)和确定性方法(DSHA)[8 3。确定 性方法是把地震的发生看作确定性的事件来 分析,包括地震构造法和最大历史地震法。 设定地震即是确定性分析方法的一个例子。 采用确定性方法分析管道的地震安全性评价 工作相对容易一些,而且给出的结果物理意 义明显。但是确定性方法不能够考虑地震发 生的不确定性,并且不能够考虑工程场地周 围多个潜在震源区对管道的综合影响。在20 提供周围所有的地震潜源对管道的综合影 响。后来人们采用一种分解的地震危险性概 率方法(Disaggregate PSHA),分解不同地震 潜源对结果的贡献大小,给出概率意义上最 显著的震级和震中距 。 目前,重要工程的地震安全性评价多采 用地震危险性分析的概率法。但是,对于管 道工程而言,概率方法和确定性方法这两种 方法都在使用。评估覆盖一较大区域的管网 系统的抗震性能采用确定性方法更好一些, 因为分布在一个较大区域管网系统需要考虑 各管道PGA(包括Sa、PGV和PGD)之间的 差异,设定地震方法方便考虑此类问题。另 外,管道通过某一活动断裂的抗震设计需要 世纪40~60年代管道工程的地震安全性评 价主要采用确定性分析方法。但是,实际地 震无论在发生强度、时问和位置上都具有较 强的不确定性。因此,到20世纪60年代末 人们开始引入概率方法。概率分析方法的缺 点是工作开展较难、其结果的物理意义也没 有确定性方法那样明晰。概率分析方法不能 够给出一特定发震断层对管道的影响,只是 估计该活动断裂的位错量。邓起东等 。。归 纳出活动断裂同震地表位移评估方法有:古 地震法、非完全古地震法、滑动速率法、断 裂长度转换法、预测震级转换法等。闻学 泽 在此基础上,又提出了定量类比法和 加权综合法。这些估计断层位错量的方法还 基本上属于确定性方法。 在进行整个管道工程(还包含地面的构 维普资讯 http://www.cqvip.com 国际地震动态 2007定 筑物)的抗震设计时,需要输入的地震作用 参数包括:地震的震级、断层的位错量及方 向、断裂带的宽度、地面加速度峰值PGA、 地面速度峰值PGV、设计反应谱以及地震动 持时等。这些地震作用参数获得的方法汇总 见表4。 表4管道抗震设计规范中地震作用输入确定的方法汇总表(ALA,2005) 价工作,获得管道地震作用参数的方法,存 4总结 通过不断地总结实际地震中的管道震害 经验和教训,管道抗震设计规范得到完善和 发展。比较目前各国管道的最新抗震设计规 在概率方法(PSHA)和确定性方法(DSHA) 这两种方法并举的局面。设计地震动参数的 获得以概率法为主,而管道的抗液化和滑坡 设计则建议采用分解的地震安全性评价概率 范,以保证震后管道继续维持其服务功能的 抗震设计理念已经得到了全世界范围的认 方法(Disaggregate PSHA)。断层未来位错量 的评价方法现在仍以确定性方法为主,概率 方法因为断层位错量沿着破裂带的分布较为 复杂仍有待进一步研究。 (作者电子信箱,刘爱文:law73@163.eom) 可。现在的管道设计正向性能设计的方向发 展,并提出了两级抗震设防的方法,其中, 第二级即以管道不发生泄漏为抗震设防目 标,对管道的地震安全性评价工作提出了更 高的要求。不同于一般工程的地震安全性评 参考文献 [1]中华人民共和国国家标准.室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范(GB-50032-2003).北京:中国 建筑工业出版社,2003 [2]中华人民共和国石油天然气行业标准.输油(气)钢质管道抗震设计规范(SY/T 0450-2004).北京:石 油工业出版社,2004 [3]日本水道协会.水道施设的耐震工法指针.1997 [4]ALA/f'EMA.Seismic Guidelines for Water Pipelines.2005:www.amerieardifelinesallianee.org 维普资讯 http://www.cqvip.com

第9期 刘爱文:管道抗震设计规范有关地震作用的综述 35 [5]Malcolm Carr,David Bruton,et 1a.Laterla Buckling and pipeline walking,a challenge for hot pipelines.Off- shore Pipeline Technology Conference.Amsterdam,2003 [6]Offshore Standard OS—FIO1.Submarine Pipeline systems 2000.Det Norske Vefims,2000 [7]刘学杰,孙绍平.地下管道穿越断层的应变设计方法.特种结构,2005,22(2):81-85 [8]中华人民共和国国家标准.工程场地地震安全性评价(GB一17741—2005).北京:中国标准出版社,2005 { 9】Bazzurro P,Cornell C A.Disaggregation of Seismic hazard.BSSA,1999,89(2):501-520 [10]邓起东,陈立春,冉勇康.活动构造定量研究与应用.地学前缘,2004,11(4):383—392 [11]易桂喜,闻学泽.多地震活动性参数在断裂带现今活动习性与地震危险性评价中的应用与问题.地震 地质,2007,29(2):254—271 Discussion on the Seismic Input Proposed by the Diferent Countries Seismic Codes of Pipeline Liu Aiwen (Institute of Geophysics,CEA,Beijing 1 0008 1,China, e—mail:law73@163.com) Abstract The idea and the request of seismic parameters for pipeline ̄performance design are introduced by comparing different countires seismic codes,including China,Japan,USA and etc. The seismic design target obtained the world scope approval is that the pipeline continues to maintain its service function after an earthquake.At present,the pipeline seismic desing is developing to the direction of Performance Based Design,and two levels of earthquake resistances garrisons has been proposed.The target of second level is avoiding the pipeline divulges after a scenic strong earth— quake,leading a higher request to the evaluation of seismic safety for the pipeline engineering sites. hTe pipeline performance based design needs more parameters of strong ground motion and the ground permanent deformation.Different from the other engineering,both PSHA and DSHA are a— dopted to evaluate the seismic safety for a pipeline engineering site.Disaggregate PSHA is proposed to estimate the PGD induced by liquefaction and landslide.The PGD induced by fault movement is still determined by DSHA primarily,and PSHA needs further studies. Key words pipeline;seismic design code;performance based design;seismic input;PSHA; DSHA 

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