考虑几何非线性的长输管线地震响应分析

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Ａｕ ｇ． ２０１ ２
考 虑 几何 非线 性 的长 输 管 线地 震 响应 分 析 ＊
杨 竟 南” 余 涛 雷 凡＂ ’
（ 汉理工大学交通学院” 武汉 武 ４ ０ ６ ） （ 北 省 鄂 州 市 公 路 管 理 局 ３０ ３ 湖 鄂州 ４６０） ３ ０ ０
式 中 ： ， Ｋ 分 别 为多 自由度 体 系 的质 量 矩 阵 、 Ｍ ｃ，
收 稿 Ｅ 期 ：０ ２０ 一 ２ ｌ ２ １－２ｌ
杨竟南（９７ ： 士生， １ ８一） 硕 主要 研 究 领 域 为 桥 梁 工 程
国 家 ８ ３ 划 项 目资 助 （ 准 号 ：０ ７ ６计 批 ２ ０ ＡＡ１ Ｚ ０ ） １ １ ７
关 键 词 ： 输 管 线 ； 何 非 线性 ； 震 响 应 ； 长 几 地 时程 分 析
中 图 法 分 类 号 ： Ｕ３ ２ １ Ｔ ５．１ ｄ ｉ１ ． ９ ３ ｊ ｉ ｎ ２ ９ — ８ ４ ２ １ ． ４ ０ ７ ｏ ：０ ３ ６ ／．ｓ ． ０ ５３ ４ ． ０ ２ ０ ． ３ ｓ
１ 地 震 响 应 分 析 方 法
地 震作用 下 ， 自由度体 系 的振动方 程 为… 多
ＭＵ ＋ Ｃ ＋ Ｋｔ Ｕ ，一 一 Ｍ Ｉ （ ） ｕ ｇ （） １
维 实体 单元按 管 线 实 际尺 寸 进 行 离 散． 算模 型 计
见 图 １ ０ｍ 长 的 管线 纵 向划 分 为 １ ０段 ， 分 ．４ ６ 划 网格后 单元 总数 为 ７６ ０ 节 点总数 为 ｌ ９ ． ８ ， １５ ２ 管 线尺 寸及 材料参 数按 表 １ 取 ． 选
假 定 在时 间 问隔 内位 移 、 速度 和加 速 度 按 一
定规律 变化 （ Ｎｅ 如 ｗｍａ ｋ法 ） 求 解 式 （ ） 得 到 ｒ ， ２可 各质 点 随时 间变 化 的位 移 、 度 和 加速 度 动 力 反 速
坏 ， 成 系统故 障和 中断 ， 有可 能产 生各 种次生 造 并 灾害 ， ］ 给人 民的生活 、 生命 和财 产安全 带来 严 重
应， 选取 长 度 分 别 为 ２ ， ０ ４ 的 管 线 进 行 分 ０ ３ ， ０ｍ
时程 分 析法对 地震作 用下 的长 输管 线 的动力 响应
进 行分 析 ， 探讨 了管 线悬 跨 段 长度 、 震 强 度 、 并 地 几何 非线 性等 因素 对其地 震 响应 的影响．
析， 假设 管线 两端 为 固定 支承 ． 计算 中管 线采 用三
０ 引
言
阻尼矩 阵和 刚度矩 阵 ； ， 分 别 为结 构 的动力 ｕ， 位 移 、 度和加 速度 列 阵 ； 速 Ｊ为 地 面运 动 影 响 系数 列 阵 ； 为地 面运 动加 速度 ． “ （）
随着我 国工 业 的快 速 发 展 ， 道运 输 系统 已 管
经越来 越多 地应 用 于 各种 领 域 ， 城 市 供 水长 距 如
第 ４期
杨 竞 南 ， ； 虑 几 何 非 线 性 的长 输 管 线 地 震 响 应 分 析 等 考
・８３ ・ １
本文 采用直 接采 用 强震 记 录 的方 法 来进 行 地 震 响应 分析 ， 采用的地震 波为 Ｅ ｅ ｔ 所 １ ｎｒ Ｃ ｏ波． 震 地 动持 时为 ３ ， 间间 隔为 ０ ０ ， 沿 坐标 ０Ｓ 时 ． ２Ｓ并 ｚ方
危 害． 因此 ， 管道 系统 的震害 分析 十分重 要． 对 目前 ， 地震 响应 动力分 析方 法 主要 有 ３种 ： 反 应谱 法 、 时程分 析法 和随 机振动 方法 ＿ ． 文采 用 ３ 本 ］
应 ， 而 可计算 出构 件 内力 的时程 变化关 系． 进
２ 计 算模 型
为 分析长 输管 线在地 震荷 载作 用下 的动 力 响
摘要 ： 用时程分析法对地震作用下长输管线的动力响应进行分析 ， 探讨 了管线悬跨段 长度 、 采 并 地 震 强度 、 何 非 线 性 等 因 素 对 其 地 震 响应 的 影 响 ． 果 表 明 ， 震 作 用 下 ， 线 的位 移 和 应 力 响 应 几 结 地 管 曲 线 随 时 间 的变 化 趋 势 基 本 一致 ； 长 管 线 的振 动周 期 较 长 ； 地 震 强 度 较 大 、 线 较 长 时 ， 线 较 当 管 管 考 虑 大 变 形 和 不 考 虑 大 变 形 的 地震 响应 存 在 较 大 差异 ．
离管 线 、 大规 模集 中供 暖 系 统 、 距 离 油 气 管 线 长
直 接积分 时程 法是 对结 构物 的运 动微 分方程
直接进 行逐 步 积 分求 解 的一 种 动力 分 析 方 法［ ． ５ ］ 在 利用 数值 方法逐 步积 分 时 ， 将式 （ ） １ 化为 增量运 动微分 方程 组
向输入 ， 经调整 ， 计算 中取加 速度 峰值 分别 为 ０ ５ ．， ｌ ２ ４ｍ／ 的地 震波进行计 算． ， ， ｓ 地震加速 度峰值取
４ｍ／ 时 ， 震的加速度 时程 曲线 见Байду номын сангаас ２ ｓ 地 ．
第 ３ ６卷 第 ４期 ２１ ０ ２年 ８月
武汉 理工 大学 学报 （ 交通科 学 与工程 版 ）
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｕ ａ ｎｖ ｒ ｉ ｆＴｅ ｈ ｏｏ ｙ ｒ ａ ｆＷ ｈ ｎ Ｕ ｉｅ ｓｔ ｏ ｃ ｎ ｌ ｇ ｏ ｙ
（ ａ ｓ ｏ ｔｔｏ ｃｅ ｃ Ｅｎ ｉｅ ｒｎ ） Ｔｒ ｎ ｐ ｒａｉｎ Ｓ ｉｎ ｅ＆ ｇｎ ｅｉｇ
Ｍ Ａｆ ＋ ＣＡＵ＋ ＫＡ — ＡＰ Ｊ Ｕ （） ２
等 ， 些管道 系 统对 国 民经 济 以及 人 民生 活都 起 这
着十分 重要 的作 用 ， 因而被称 为“ 生命线 工 程”１ ¨． ｊ 与地 上建筑 物相 比 ， 下管 道通 常分 布 的范 围广 ， 地 不可避 免地 涉及 各 种 场地 ， 地震 中极 易 遭受 破 在