地震波作用下地下管道的动力响应研究

摘要

由于地下管道受周围土体或岩体的约束,一直以来,人们认为它具有良好的抗震性能。然而,根据震害资料显示,国内外历史上发生的多次地震都使地下管道系统遭受到一定程度的震害,它的发生不仅会直接破坏地下管道的正常使用功能,而且还可能引发水、火、爆炸及疾病等严重的次生灾害。为了减少地震作用对地下管道造成的破坏,确保生命线工程的安全和防止次生灾害的产生,开展在地震激励下埋地输流管道的响应研究,为地下管道的动力设计提供必要的理论基础,有着十分重要的意义。
　　 以波动理论为基础,采用大圆弧假定和复变函数法,给出地下单排复合管道在平面P波、SV波、SH波入射下的解析解,研究解明了管道参数、场地土类型、管道埋深以及地震波动参数对管道动应力集中的影响规律。
　　 针对实际工程中经常遇到相邻结构的动力相互作用问题,研究了地下多管道体系的动力相互作用。给出详细的理论计算过程,分析两种工况情况下入射P波、SV波和SH波对管道之间的动力相互作用的影响机理及作用规律,考虑场地土的变化,揭示不同参数下地震波对地下管道周围绕射和散射的特性。
　　 为了更好地揭示管道内的流体对管道受地震波作用的动力响应特点,利用流体中传播的声波方程,建立地下输流管道的流固耦联波函数,给出地下输流管道对平面P波、SV波入射下的波函数动力学方程,针对动应力集中问题分析管道内的流体受波传播振荡的影响规律。
　　 研究结果表明:管道内钢衬的厚度对管道的环向动应力集中峰值有很显著的影响,钢衬越薄,动应力集中程度越高；当管道周围的场地土较硬时,管道内的环向动应力集中峰值在入射P波、SV波和SH波的作用下均表现出明显的放大作用,且放大倍数显著,当管道周围的场地土较软时,环向动应力集中程度减弱；各管道之间的环向动力相互作用不仅与管道之间距离有关,还与管道的布置情况有关；管道内的流体影响了管道的径向应力集中分布。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景

1.1.1 地下管道系统的震害

1.1.2 地下管道系统的抗震研究发展概况

1.1.3 地震波散射问题的理论研究概况

1.2 存在的问题

1.3 本文的研究意义和主要内容

第二章 地震波动方程及半空间自由表面的大圆弧假定

2.1 引言

2.2 地震波动方程

2.3 波的转换和托布里兹(Zieppritz)方程

2.4 复变函数法中的保角变换

2.5 半空间自由表面的大圆弧假定

2.6 本章小结

第三章 地下单排复合管道在地震波作用下的动力响应

3.1 引言

3.2 地下复合管道模型

3.3 地下复合管道在平面P波和SV波作用下的动力响应

3.3.1 P波和SV波位移场

3.3.2 半空间自由表面的大圆弧假定

3.3.3 控制方程

3.3.4 管道外半无限空间中的波场

3.3.5 管道内的驻波场

3.3.6 边界条件

3.3.7 算例分析

3.4 地下复合管道在平面SH波作用下的动力响应

3.4.1 SH波位移场

3.4.2 计算模型

3.4.3 控制方程

3.4.4 管道驻波

3.4.5 管道外半无限空间中的SH波动场

3.4.6 边界条件

3.4.7 算例分析

3.5 方法验证

3.6 本章小结

第四章 地下管道系统在地震波作用下的动力相互作用

4.1 引言

4.2 地下管道系统模型

4.3 地下管道系统在P波和SV波作用下的动力相互作用

4.3.1 半空间自由表面的大圆弧模型

4.3.2 相邻管道对周围P波(SV波)散射场的影响

4.3.3 求解待定系数

4.3.4 算例分析

4.4 地下管道系统在SH波作用下的动力相互作用

4.4.1 计算模型

4.4.2 相邻管道对周围SH波散射场的影响

4.4.3 算例分析

4.5 本章小结

第五章 地下输流管道在平面P波和SV波作用下的动力响应

5.1 引言

5.2 可压缩流体中的声波方程

5.3 输流管道模型

5.4 地下输流管道在P波和SV波作用下的动力响应

5.4.1 控制方程

5.4.2 计算模型

5.4.3 管道内的流体驻波方程

5.4.4 管道外半空间中的波场

5.4.5 管道内的驻波场

5.4.6 边界条件

5.4.7 算例分析

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 本文总结

6.2 展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢