中美日鋼質(zhì)管道地震失效準(zhǔn)則規(guī)范對比研究

張海武慧生孫明明

（1.太原市市政工程設(shè)計(jì)研究院 030002；2.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 116024）

引言

作為地下工程的重要組成部分，城市供水、供氣等鋼質(zhì)埋地管道在空間上覆蓋范圍非常廣［1］，其受地震的影響非常大。而近年來國內(nèi)外由于地震造成的鋼質(zhì)管道的受損以及城市供水、供氣管網(wǎng)的嚴(yán)重破壞引起了各國防災(zāi)研究領(lǐng)域的高度重視。

對于地震，現(xiàn)有技術(shù)條件下尚難準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，所以設(shè)計(jì)人員主要通過確定合理的抗震設(shè)防水準(zhǔn)［2］來進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，從而避免或減小地震所帶來的生命和財(cái)產(chǎn)損失。對于判斷管道在地震作用下是否破壞，則依靠相應(yīng)的失效標(biāo)準(zhǔn)［3］進(jìn)行判斷，當(dāng)計(jì)算值超過失效準(zhǔn)則的允許值則認(rèn)為管道破壞，反之則認(rèn)為其符合標(biāo)準(zhǔn)。對此，各國相繼修訂了相關(guān)埋地鋼質(zhì)管道的抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。但是由于各國的抗震設(shè)防水準(zhǔn)、目標(biāo)的不同，適用范圍的不明確，科研水平的參差不齊以及同一國家不同時(shí)代不同版本的修訂，造成了目前眾多的抗震標(biāo)準(zhǔn)并存，對設(shè)計(jì)人員在準(zhǔn)確選擇合適的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)上造成了不少困惑。

有鑒于此，對各國鋼質(zhì)管道抗震規(guī)范中的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)失效準(zhǔn)則的異同進(jìn)行分析就顯得十分必要。而在國際上，以美、日兩國為代表的發(fā)達(dá)國家擁有比較完整的抗震技術(shù)法規(guī)、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，要求建筑必須符合抗震設(shè)防規(guī)范的要求。由于技術(shù)得當(dāng)，近年來，這些發(fā)達(dá)國家發(fā)生地震造成的損失也比較小［4］。因此，其抗震技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)非常值得其他國家學(xué)習(xí)和借鑒［5，6］。分析不同國家的相關(guān)規(guī)范，對我國管道抗震規(guī)范的發(fā)展與研究有著重要的參考價(jià)值，可以為我國管道抗震規(guī)范以后的發(fā)展提出可行性的建議，并希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)研究和設(shè)計(jì)人員提供一定的參考。

1 設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

1.1 中國規(guī)范

以中國《油氣輸送管道線路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50470-2017）［7］和《室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50032-2003）［8］為例進(jìn)行分析。

GB 50470規(guī)范將地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)按照管道所在區(qū)段的重要程度劃分為兩個(gè)等級三種情況。第一等級的情況是位于一般區(qū)段的管道，應(yīng)按《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306-2015）［9］選取地震動參數(shù)，在進(jìn)行地震安全性評價(jià)工作后，應(yīng)按照50年超越概率10%（重現(xiàn)期474年）的地震動參數(shù)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。第二等級情況是位于重要區(qū)段的管道，其又分為兩種情況，一種是大跨越及埋深小于30m的大型穿越管道，應(yīng)按照50年超越概率2%（重現(xiàn)期2475年）進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)；另外一種情況是重要區(qū)段的普通管道，應(yīng)采用50年超越概率5%（重現(xiàn)期975年）進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。當(dāng)管道位于設(shè)計(jì)地震動峰值加速度大于等于0.2g的地區(qū)時(shí)，應(yīng)對管道進(jìn)行抗拉伸和抗壓縮校核。

GB 50032規(guī)范只按照50年超越概率10%的地震動參數(shù)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，是單一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)防。

1.2 美國規(guī)范

美國規(guī)范在此選取兩本具有代表性的規(guī)范作為分析對象，一本是ASCE于1984年出版的《Guidelines for the Seismic Design of Oil and Gas Pipeline Systems》［10］，另外一本是PRCI 于2004年出版的《Guidelines for the Seismic Design and Assessment of Natural Gas and Liquid Hydrocarbon Pipelines》［11］。

首先，以ASCE 1984年的導(dǎo)則為例。此規(guī)范作為該領(lǐng)域的一本經(jīng)典指導(dǎo)規(guī)范，其具有許多值得我們借鑒學(xué)習(xí)的內(nèi)容。在本導(dǎo)則中對于地震的設(shè)防準(zhǔn)則按照兩水準(zhǔn)地震進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先是低標(biāo)準(zhǔn)地震的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，按照重現(xiàn)期50～100年（50年超越概率100% ～39%）的地震動參數(shù)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，規(guī)范稱低標(biāo)準(zhǔn)地震為“可能型設(shè)計(jì)地震”（PDE）。其次是高標(biāo)準(zhǔn)地震的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，按照重現(xiàn)期200～500年（50年超越概率22% ～9.5%）的地震動參數(shù)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，規(guī)范稱高標(biāo)準(zhǔn)地震為“偶發(fā)型設(shè)計(jì)地震”（CDE）。

其次，以PRCI 2004年的導(dǎo)則為例。在該導(dǎo)則中認(rèn)為地震波的傳播對于焊接鋼管不會產(chǎn)生嚴(yán)重影響，瞬態(tài)地面變形通常不是主要問題，故該導(dǎo)則主要針對遭受斷層等永久地面變形的管道。其對于地震的設(shè)防準(zhǔn)則也按照兩水準(zhǔn)地震進(jìn)行設(shè)計(jì)。低標(biāo)準(zhǔn)地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)以重現(xiàn)期200～500年（50年超越概率為22% ～9.5%）的地震動參數(shù)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，低標(biāo)準(zhǔn)地震的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)被認(rèn)為是管道在留有安全余量的情況下維持運(yùn)營的最基本的要求，而且在永久地面變形發(fā)生后允許有少量的變形。規(guī)范稱低標(biāo)準(zhǔn)地震為“可能型設(shè)計(jì)地震”（PDE）、“基本型設(shè)計(jì)地震”（DBE）或“彈性階段型地震”（SLE）。高標(biāo)準(zhǔn)地震的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)以重現(xiàn)期1000年或更多（50年超越概率超過4.8%）的地震動參數(shù)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，當(dāng)采用高標(biāo)準(zhǔn)地震的設(shè)防準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要求管道即使在遭受明顯的損害后也能夠預(yù)防危險(xiǎn)發(fā)生，是否選擇高標(biāo)準(zhǔn)地震作為設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)取決于設(shè)施的重要性。規(guī)范稱高標(biāo)準(zhǔn)地震為“偶發(fā)型設(shè)計(jì)地震”（CDE）、“最大可能型地震”（MCE）、“塑性階段型地震”（DLE）。

1.3 日本規(guī)范

以日本土木協(xié)會2000年出版的《Earthquake Resistant Design Codes in Japan》［12］中的燃?xì)夤艿揽拐鹪O(shè)計(jì)建議章節(jié)為例進(jìn)行分析。此規(guī)范也是基于兩水準(zhǔn)地震進(jìn)行設(shè)防的。其標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ是參考日本管道協(xié)會1982年高壓氣體管道進(jìn)行修訂的，要求管道在地震發(fā)生后不需任何修復(fù)就可以恢復(fù)操作。標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ要求管道不會由于變形而泄漏。其具體差別見表1。

表1 地震運(yùn)動形式和抗震性能表現(xiàn)Tab.1 Seismic motions and earthquake resistant performance

2 設(shè)計(jì)失效準(zhǔn)則

2.1 中國規(guī)范

首先，介紹的是中國《油氣輸送管道線路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50470-2017），該規(guī)范中設(shè)計(jì)失效準(zhǔn)則是以應(yīng)變準(zhǔn)則為準(zhǔn)，其分為兩部分：地震波動下設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和斷層作用下設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

1.地震波動作用下的設(shè)計(jì)失效準(zhǔn)則

對于地震波動下的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則其分為允許拉伸應(yīng)變［εt］v和允許壓縮應(yīng)變［εc］v。其允許壓縮應(yīng)變［εc］v需按照公式（1）和公式（2）進(jìn)行計(jì)算，其允許拉伸應(yīng)變［εt］v按照表2進(jìn)行選取。

式中，t為管道壁厚，D為管道外徑。

表2 組焊管道容許拉伸應(yīng)變Tab.2 Weld pipeline s allowable tension strain

2.斷層作用下的設(shè)計(jì)失效準(zhǔn)則

對于斷層作用下的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，也分為允許拉伸應(yīng)變［εt］F和允許壓縮應(yīng)變［εc］F，需根據(jù)斷層對管道產(chǎn)生的拉壓情況分類討論。

鋼質(zhì)管道抗斷層的軸向容許拉伸應(yīng)變［εt］F需按照公式（3）進(jìn)行計(jì)算：

式中：φεt為拉伸應(yīng)變承載系數(shù)，取0.7；εcritt為鋼管及組焊管段的極限拉伸應(yīng)變，按實(shí)測值或經(jīng)驗(yàn)公式（4）確定。公式（4）中，δ為表觀CTOD韌性，λ為屈強(qiáng)比，ξ為缺欠長度與壁厚比率2c/t，η為缺欠厚度與壁厚比率a/t（表面型缺欠）2a/t（深埋型缺欠），ψ為缺欠深度與壁厚比率d/t，t為管道壁厚。表面型：

深埋型：

鋼質(zhì)管道容許壓縮應(yīng)變應(yīng)［εc］F按公式（5）計(jì)算，并取較小值：

式中：εs為相應(yīng)于管材屈服極限的應(yīng)變。

《室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50032-2003）也是國內(nèi)市政地下管線工程上常用的規(guī)范。在該規(guī)范中設(shè)計(jì)失效準(zhǔn)則以應(yīng)變失效準(zhǔn)則為準(zhǔn)。但其只考慮了剪切波（地震波）行進(jìn)時(shí)管道產(chǎn)生應(yīng)變的情況。

對于整體焊接鋼管，其在地震波作用下的允許應(yīng)變量標(biāo)準(zhǔn)值，可按式（6）、式（7）采用：

式中，t為管道壁厚，D為管道外徑。

2.2 美國規(guī)范

首先介紹的是ASCE油氣管道系統(tǒng)抗震指導(dǎo)中的設(shè)計(jì)失效準(zhǔn)則，該導(dǎo)則的設(shè)計(jì)失效準(zhǔn)則采取了應(yīng)力失效準(zhǔn)則和應(yīng)變失效準(zhǔn)則兩種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。按照不同情況選取不同的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

該導(dǎo)則的應(yīng)力失效準(zhǔn)則主要適用于使用線性方法進(jìn)行的地震波動效應(yīng)分析。當(dāng)線性分析結(jié)果超過允許值時(shí)推薦使用非線性時(shí)程分析進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果按照應(yīng)變失效準(zhǔn)則進(jìn)行判別。其具體的應(yīng)力失效準(zhǔn)則列于表3。

表3 應(yīng)力失效準(zhǔn)則Tab.3 Stress failure criteria

而該導(dǎo)則的應(yīng)變失效準(zhǔn)則則主要適用于斷層分析和使用非線性時(shí)程分析的CDE地震波動效應(yīng)。其具體標(biāo)準(zhǔn)列于表4。

表4 應(yīng)變失效準(zhǔn)則Tab.4 Strain failure criteria

考慮安全系數(shù)后，出現(xiàn)褶皺的應(yīng)變［εc］F按公式（8）計(jì)算：

式中，t為管道壁厚，D為管道外徑。

另一美國規(guī)范是PRCI的鋼質(zhì)管道抗震指導(dǎo)。其設(shè)計(jì)失效準(zhǔn)則按照控制荷載的類型進(jìn)行分類，使用應(yīng)變作為判別標(biāo)準(zhǔn)，主要適用于斷層引起的反應(yīng)?？刂菩阅艿姆绞街饕譃槲灰瓶刂疲ǖ卣鹨鸬挠谰玫孛孀冃稳缫夯?，滑坡和斷層）和荷載控制（地震導(dǎo)致荷載持續(xù)施加到管道的情況，示例見圖1）。通常認(rèn)為位移控制形式是首要的荷載形式，而荷載控制形式為次一級的荷載形式。對于位移控制的荷載，其有兩個(gè)性能指標(biāo)：維持壓力完整和維持正常操作。

圖1 對于埋地管道荷載控制條件下的舉例Fig.1 Example of load-controlled configurations for buried pipelines

1.位移控制條件中的維持壓力完整性目標(biāo)

該種情況下對應(yīng)于設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)中的高標(biāo)準(zhǔn)地震，對于維持壓力穩(wěn)定性的性能指標(biāo)，允許管道出現(xiàn)橢圓化或出現(xiàn)褶皺。在此目標(biāo)之下，應(yīng)該預(yù)防余震的影響，且地震發(fā)生后應(yīng)該進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查來確定是否有永久地面變形發(fā)生。當(dāng)管道發(fā)生損壞時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換損壞的部件以維持管道的正常運(yùn)行。其設(shè)計(jì)失效標(biāo)準(zhǔn)如下：

①縱向壓縮允許應(yīng)變：

②縱向拉伸允許應(yīng)變：

式中，t為管道壁厚，D為管道外徑。

公式（9）對于徑厚比小于等于100的管道是有效的，并且為管道橢圓化的變形程度提供了一個(gè)評估準(zhǔn)則。

2.位移控制條件中的維持管道正常運(yùn)行目標(biāo)

該種情況下對應(yīng)于設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)中的低標(biāo)準(zhǔn)地震，要求在地震發(fā)生時(shí)管道不能出現(xiàn)重大的損傷。

①縱向壓縮允許應(yīng)變：

規(guī)范中按兩種應(yīng)力-應(yīng)變曲線提出了相應(yīng)的縱向壓縮允許應(yīng)變。一種是R-O模型曲線，比較光滑無明顯區(qū)分；另一種是雙折線模型，有明顯的屈服區(qū)。

R-O模型普通管道處允許應(yīng)變：

R-O模型環(huán)形焊縫處允許應(yīng)變：

雙折線模型普通管道處允許應(yīng)變：

雙折線模型普環(huán)形焊縫處允許應(yīng)變：

式中，t為管道壁厚，D為管道外徑，p為管道內(nèi)壓，py為產(chǎn)生與屈服應(yīng)力相等的環(huán)向應(yīng)力的內(nèi)壓，按照py=2σyt/（D-2t）計(jì)算，σy為屈服應(yīng)力，E為管道材料的彈性模量，Δ為焊縫處管道接頭的偏移量，imp為氣泡缺陷所占壁厚的百分比。

②縱向拉伸允許應(yīng)變：

3.荷載控制的條件（次要條件）

①縱向壓縮允許應(yīng)變：

②縱向拉伸允許應(yīng)變：

2.3 日本規(guī)范

該規(guī)范與位移傳遞系數(shù)法［13］相對應(yīng)，適合地震波動效應(yīng)分析。允許應(yīng)變是基于低周疲勞分析結(jié)果確定，該規(guī)范將由地震動造成的拉伸和壓縮應(yīng)變統(tǒng)一成一個(gè)允許應(yīng)變。

1.地震動標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ時(shí)允許應(yīng)變?nèi)∠率鰞蓸?biāo)準(zhǔn)中的較小值。

直管和彎管處的允許應(yīng)變：

由于屈曲產(chǎn)生的屈曲應(yīng)變：

式中，n取0.11，Dm為管道的平均直徑，按D-t取。t為管道壁厚，D為管道外徑。

當(dāng)安全因子按1.25考慮時(shí)，公式（19）可以用公式（20）代替，公式（20）的單位為百分制。

2.地震動標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

直管和彎管處的允許應(yīng)變：

3 工程算例

3.1 算例介紹

本節(jié)以太原市某供熱工程所用鋼質(zhì)管道為例進(jìn)行分析對比。管材為X65級鋼管，管徑為813mm，壁厚為25.4mm，彈性模量為207GPa，設(shè)計(jì)壓力14MPa，密度為7850kg/m3，泊松比為0.3，表觀CTOD韌性為0.3mm，屈強(qiáng)比為0.843，缺陷長度為25mm，缺陷厚度為3mm，缺陷深度為10mm。X65鋼的本構(gòu)關(guān)系［14］見表5。

表5 X65鋼管本構(gòu)關(guān)系Tab.5 Constitutive relation of X65 pipeline

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

分別按照中國《油氣輸送管道線路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50470-2017）、《室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50032-2003）、美國ASCE油氣管道系統(tǒng)抗震指導(dǎo)（以應(yīng)變準(zhǔn)則為準(zhǔn)）、美國PRCI的油氣管道抗震指導(dǎo)和日本土木協(xié)會天然氣管道抗震設(shè)計(jì)建議計(jì)算的結(jié)果見表6。

由表6可以看出，中國GB 50470和美國ASCE規(guī)范都比較全面地給出了鋼質(zhì)管道在斷層和地震波動兩種反應(yīng)下的允許應(yīng)變，但是這兩種規(guī)范都是基于單一水準(zhǔn)地震進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)；而美國PRCI規(guī)范只給出了斷層作用下的允許應(yīng)變，日本規(guī)范只給出了地震波動下的允許應(yīng)變，但二者均是按照兩水準(zhǔn)地震進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的；中國GB 50032只給出了地震波動下的允許應(yīng)變，且采用的是單一水準(zhǔn)地震進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。從功能的完整性角度來看，中國GB 50470和美國ASCE規(guī)范要優(yōu)于另外三種單一運(yùn)動形式的規(guī)范。從考慮管道重要性異同的角度來看，采用兩水準(zhǔn)地震的規(guī)范相對于采用單一水準(zhǔn)地震的規(guī)范更加合理。

表6 規(guī)范計(jì)算結(jié)果比較Tab.6 Calculation result comparison of different codes

對比斷層允許應(yīng)變，在拉伸時(shí)，中國規(guī)范的計(jì)算值為2.49%，ASCE規(guī)范計(jì)算值為3.50%，而PRCI規(guī)范中對于高標(biāo)準(zhǔn)地震（維持壓力完整性）其計(jì)算值為3.33%，對于低標(biāo)準(zhǔn)地震（維持正常運(yùn)行）其計(jì)算值為2.00%；在壓縮時(shí)，中國規(guī)范的計(jì)算值0.50%，ASCE規(guī)范的計(jì)算值為0.94%，而PRCI規(guī)范中對于高標(biāo)準(zhǔn)地震其計(jì)算值為3.33%，對于低標(biāo)準(zhǔn)地震其計(jì)算值為2.00%。PRCI規(guī)范荷載控制條件屬于次要條件此處不加入對比。通過對比可以看出按中國規(guī)范計(jì)算的結(jié)果偏小，按美國ASCE規(guī)范計(jì)算的結(jié)果偏大，對于考慮管道重要性不同的設(shè)計(jì)要求來說，單獨(dú)使用中國或ASCE規(guī)范可能使設(shè)計(jì)偏保守或偏激進(jìn)，相對而言PRCI使用兩水準(zhǔn)地震抗震標(biāo)準(zhǔn)更加合理，其低標(biāo)準(zhǔn)地震的結(jié)果與中國規(guī)范接近，其高標(biāo)準(zhǔn)地震的結(jié)果與ASCE規(guī)范接近。

對比地震波動允許應(yīng)變，中國GB 50470和GB 50032計(jì)算結(jié)果相同，按中國規(guī)范計(jì)算，拉伸時(shí)允許值為1.00%，壓縮時(shí)允許值為1.09%；ASCE規(guī)范未區(qū)分拉伸和壓縮，按其計(jì)算的允許值為0.94%；日本規(guī)范也并未區(qū)分拉伸和壓縮，按其標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ計(jì)算的允許值為1.00%，按標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ計(jì)算的允許值為3.00%。通過對比可以發(fā)現(xiàn)在地震波動允許應(yīng)變上中美日規(guī)范差別不是很大。日本規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ差別較大，但是其是一個(gè)固定值，對于所有管道都適用。故在地震波動允許應(yīng)變上三國規(guī)范差別不是很明顯。

三國鋼質(zhì)管道抗震規(guī)范的失效準(zhǔn)則優(yōu)缺點(diǎn)見表7。

表7 規(guī)范比較Tab.7 Comparison of different codes

4 結(jié)論

本文首先對中美日三國的五部典型的管道抗震規(guī)范的相關(guān)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了闡述，明確了各規(guī)范在進(jìn)行管道抗震設(shè)防時(shí)所遵循的思想，之后詳細(xì)地介紹了各個(gè)規(guī)范在管道經(jīng)歷地震作用后的設(shè)計(jì)失效準(zhǔn)則，最后通過工程算例對各個(gè)規(guī)范加以對比分析，明確了各國規(guī)范的異同點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)。中國規(guī)范簡單明了，但標(biāo)準(zhǔn)單一，美日規(guī)范采用多標(biāo)準(zhǔn)等級，但功能性不夠完整。對于我國從事相關(guān)科研工作的研究人員來說，下一步的研究工作可以考慮按照兩水準(zhǔn)地震設(shè)防的思想來完善管道失效準(zhǔn)則，從而改進(jìn)我國管道抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，使其更加合理。