斷層蠕滑變形和地震作用下過活斷層明鋼管受力特性研究

李端正，張文全，楊耀翔，石長征，伍鶴皋

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，湖北 武漢 430072；2.云南省滇中引水工程有限公司，云南 昆明 650000)

水資源格局和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展格局息息相關(guān)，我國大型引調(diào)水工程在改善民生、經(jīng)濟(jì)格局、生態(tài)效益方面發(fā)揮了巨大的作用[1]?？缌饔蛘{(diào)水工程需要穿越各種天然或人工屏障，輸水線路長，管線難免需要穿越各類復(fù)雜地質(zhì)條件，甚至是活斷層[2]。在工程的有效期內(nèi)，活動斷層破裂帶蠕滑而產(chǎn)生的變形和地震等原因引起的突發(fā)黏滑變形對建設(shè)工程的安全平穩(wěn)工作產(chǎn)生重大影響[3]。

布置于活動斷層上的管道會隨著活動斷層之間的錯動而產(chǎn)生管道的垂向和軸向位移，這有可能使管道發(fā)生不可逆的破壞，威脅工程的安全。地面式鋼襯鋼筋混凝土管道和地面明鋼管是現(xiàn)今常用的跨活動斷層的管道結(jié)構(gòu)，通常在管線中設(shè)置適量的伸縮節(jié)來適應(yīng)斷層的錯動。地面鋼襯鋼筋混凝土管道抗震性能較好，但由于管道剛性較大，對斷層錯動位移的適應(yīng)性比明鋼管略差[4-6]，長期運行后管道也難以復(fù)位。結(jié)構(gòu)受力明確方便檢修、易適應(yīng)不良地質(zhì)條件是地面明鋼管的優(yōu)點，而且其支座在遭到損壞時還能進(jìn)行復(fù)位、更換。

發(fā)生地震時，由于較小的滑動支座剛度，管道受到的水平約束較弱，當(dāng)支座上管道水平位移較大時，管道可能從支墩上掉落破壞管線[7]。近年來，在穿越斷層及斷層影響帶處的長引水管道設(shè)計中，劉園等[7]利用時程分析方法對水電站地面明鋼管進(jìn)行了研究，說明了明鋼管在遭遇地震時存在明顯的橫向加速度、橫向位移、軸向滑移、垂直跳動等問題；胡蕾等[8]在鉸支座和墊層支墩分別作為小滑動傳力支承的前提條件下，探究明鋼管對活動斷層位移的適應(yīng)作用；袁凱華等[9]對過活斷層的明鋼管進(jìn)行了抗震性研究，表明了滑動支座并不能很好地約束上部分結(jié)構(gòu)的水平位移，在抗震時需要注意明鋼管結(jié)構(gòu)的這類問題?，F(xiàn)在，地震依舊頻發(fā)，因此有必要研究穿過活斷裂帶管道結(jié)構(gòu)的抗震性和管道在地震中的變形、運動規(guī)律。

鑒于此，本文結(jié)合滇中引水工程某過活動斷層的倒虹吸結(jié)構(gòu)，采用有限元方法來研究斷層蠕滑變形和地震作用影響下過活斷層地面明鋼管的受力特性。

1 工程概況與計算模型

1.1 工程概況及管道布置

某管道內(nèi)徑為2.6 m的倒虹吸管段，有著最高達(dá)2.42 MPa的內(nèi)水壓強。管道穿越至今仍在活躍的斷層，該斷層有近500 m的破碎影響帶，因可能引發(fā)地震，故取設(shè)計地震加速度峰值為0.3g。本文選取穿越斷層的管段為分析對象，管線總長1 604.16 m，地質(zhì)剖面和管道布置見圖1。管路的布局類型為地面明鋼管，布設(shè)10個鎮(zhèn)墩于管路開始端以及平面和立面轉(zhuǎn)角處，為了適應(yīng)活動斷層錯動位移，在主斷層以及影響帶范圍內(nèi)沿線布設(shè)11個伸縮節(jié)，其中，SSJ3～SSJ8位于主斷層范圍內(nèi)。支座主要采用單向滑動支座，在兩端均是波紋管的管段中間設(shè)置1個固定鉸支座。

圖1 地質(zhì)剖面和管道布置示意

本文鋼管鋼材所用型號為Q345R，管壁厚度從上游14 mm沿程逐漸過渡到22 mm，混凝土C25用于建造管道、鎮(zhèn)墩和支墩。巖土材料主要有白云巖類、第三系黏土和斷裂帶，表1為各材料主要力學(xué)參數(shù)。本文選取的伸縮節(jié)樣式為復(fù)式波紋管伸縮節(jié)，設(shè)計橫向、軸向變形均為100 mm，單獨波紋管伸縮節(jié)軸向剛度為2 000 kN/m，整體軸向剛度為1 000 kN/m。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

1.2 計算模型及工況

根據(jù)工程布置建立計算模型，包含鋼管、支座、支承環(huán)、伸縮節(jié)、鎮(zhèn)墩和地基。使用四節(jié)點殼單元模擬鋼管、支承環(huán)；八節(jié)點實體單元模擬支座、混凝土和地基；二節(jié)點梁單元模擬波紋管；管單元模擬波紋管中間的連接管。其中，模擬波紋管的梁單元兩端分別與波紋管兩端管殼節(jié)點剛性連接，梁單元的軸向剛度與波紋管的軸向剛度一致，為2 000 kN/m。支承環(huán)為雙片式支承環(huán)，加勁肋與支承環(huán)厚度均為25 mm，支撐環(huán)與鋼管間設(shè)置共節(jié)點；鋼管上的加勁環(huán)布置間隔2 m，厚16 mm?；瑒又ё舷聝苫彘g設(shè)可以發(fā)生相對滑動的面—面接觸單元，摩擦系數(shù)取0.1；固定鉸支座上下滑板間中心節(jié)點耦合X、Y、Z3個方向的平動自由度，無相對錯動，但存在相對轉(zhuǎn)動。坐標(biāo)系X軸水平指向下游為正，Y軸鉛直向上為正，Z軸正方向垂直于X軸指向右側(cè)(面向下游)。圖2為模型整體網(wǎng)格，模型底部施加固定約束，側(cè)面施加法向約束，模型在橫截面方向厚度取為20倍管徑，即52 m。

圖2 模型網(wǎng)格示意

對結(jié)構(gòu)進(jìn)行4個工況的計算，表2為各工況荷載組合。計算正常運行+蠕滑變形+地震工況時，假設(shè)結(jié)構(gòu)已經(jīng)經(jīng)歷了蠕滑變形，再承受地震，地震動力分析的初始位移與應(yīng)力條件為正常運行+蠕滑變形工況的結(jié)構(gòu)位移與應(yīng)力。

表2 計算方案和荷載組合

計算中考慮的主要荷載有：①內(nèi)水壓力。施加于鋼管內(nèi)壁，最大靜水壓力為2.42 MPa，因為無閘控制管道，水擊壓力不存在。②斷裂帶蠕滑變形。在管道設(shè)計使用年限50年內(nèi)活動斷層沿斷層面水平錯動位移量累加達(dá)1.0 m，垂直錯動位移量累計0.16 m，施加錯動位移時分解到整體坐標(biāo)系3個方向上，如圖3所示，在計算時，變位均轉(zhuǎn)化到局部坐標(biāo)系進(jìn)行加載，假設(shè)固定斷層影響帶左端面，右端相對左端產(chǎn)生位移，所有位移均作用于地基以上。③地震。地震加速度峰值為0.15g，特征周期0.45 s。根據(jù)NB 35047—2015《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》[10]規(guī)定，取阻尼比5%，反應(yīng)譜最大值代表值2.5，確定水平向和豎向標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計反應(yīng)譜作為目標(biāo)譜，生成如圖4所示的人工波作為輸入的地震動加速度時程。地震動力分析時，管內(nèi)水體的質(zhì)量等效為管壁附加質(zhì)量，地基采用無質(zhì)量地基。

圖3 斷層蠕滑錯動位移的示意

圖4 地震加速度時程曲線

2 計算結(jié)果分析

由于地面明鋼管為了跨越活動斷層，管線中伸縮節(jié)數(shù)量比常規(guī)設(shè)計的要多，結(jié)構(gòu)整體具有較大的柔性，所以需要更加注意鋼管、支座以及伸縮節(jié)的位移。

2.1 靜力計算分析

2.1.1 位移分析

在正常運行工況下，管道結(jié)構(gòu)的位移較小，主要的位移在管道軸線方向，包括管道在重力作用下沿管軸線的滑移和泊松效應(yīng)引起的管道軸向伸縮。當(dāng)增加蠕滑變形后，管道各向位移分布如圖5所示。從圖5中可以看出，管道的位移分布規(guī)律與蠕滑變形的分布規(guī)律大致相同，可見管道主要跟隨地基發(fā)生整體位移，包括在水平橫管軸線方向的左右擺動，在豎向的傾斜，以及在軸向的整體移動。由于各段管道位移有一定差別，伸縮節(jié)兩端鋼管的位移差將導(dǎo)致伸縮節(jié)的變形。圖6顯示了各伸縮節(jié)在各方向的變形量，變形量在各管段局部坐標(biāo)系下整理，其中，X向為橫管軸向，Y向垂直于管軸線向上，Z向為管軸線方向。從圖6中可以看出，正常運行工況下，伸縮節(jié)的變形較小，管軸向變形相對較大；增加蠕滑變形后，伸縮節(jié)Y向的變形量變化較小，其他2個方向的變形量有大幅度增加，尤其是管軸線方向增幅明顯，最大超過60 mm。

圖5 蠕滑工況管道結(jié)構(gòu)位移(單位：mm)

圖6 伸縮節(jié)變形

位于鎮(zhèn)墩附近的管道結(jié)構(gòu)所發(fā)生的位移與地基位移相差不大，管道與伸縮節(jié)將共同分擔(dān)鎮(zhèn)墩間地基的蠕滑變形。管道和伸縮節(jié)上述變形規(guī)律說明，對于垂直于管軸向的蠕滑變形，管道可以隨著地基運動而自動適應(yīng)絕大部分。在管軸線方向，由于伸縮節(jié)的剛度遠(yuǎn)小于鋼管，且鋼管設(shè)置了滑動支座，鋼管可以沿軸向滑移，因此軸向變形主要集中在伸縮節(jié)處。

2.1.2 應(yīng)力分析

選取位于主斷層上方的4號和5號鎮(zhèn)墩之間的管段進(jìn)行應(yīng)力分析，圖7為在正常運行工況和蠕滑變形工況下鋼管的Mises應(yīng)力云圖。在正常運行工況下，鋼管的應(yīng)力主要受內(nèi)水壓力的影響，在支承環(huán)和加勁環(huán)處存在局部應(yīng)力集中，Mises應(yīng)力最大為144.74 MPa?？紤]蠕滑變形后，鋼管的應(yīng)力分布與正常運行工況差距不大，數(shù)值也非常接近，在固定支座的支承環(huán)處應(yīng)力有較為明顯的增加，最大應(yīng)力達(dá)到164.61 MPa。這主要是由于鋼管沿著管軸向產(chǎn)生了滑移，而固定支座限制了鋼管的軸向位移，支承環(huán)產(chǎn)生了彎曲現(xiàn)象。

圖7 各工況鋼管Mises應(yīng)力云圖(單位：MPa)

通過以上計算得知，伸縮節(jié)承擔(dān)了大部分在活動斷層蠕滑變形作用下的斷層變形，少部分由鋼管承擔(dān)，鋼管的應(yīng)力與正常運行工況相近?？芍芫€中配置適量的伸縮節(jié)，設(shè)置用來適應(yīng)斷層蠕滑變形的滑動支座，就可以改善管道結(jié)構(gòu)適應(yīng)斷層蠕滑變形的能力。同時，由于管線的起伏、沿線地質(zhì)條件的差異、管道分段長度不均，各伸縮節(jié)變形差異也較大，總體而言，若管節(jié)兩端均是伸縮節(jié)，僅靠1個固定支座加以約束，該管節(jié)的位移量將較大，兩端伸縮節(jié)的變形將較明顯。

2.2 動力計算分析

2.2.1 位移分析

在正常運行+地震工況下，管道的位移以正常運行工況為基準(zhǔn)波動，X向位移的變化范圍為-13.90～25.17 mm，Y向位移的變化范圍為-23.80～9.15 mm，Z向位移的變化范圍為-11.38～16.38 mm。在正常運行+蠕滑+地震工況下，管道的位移以蠕滑為主，地震引起的位移波動與正常運行+地震工況接近。

雖然地震引起了結(jié)構(gòu)各方向位移的波動，但伸縮節(jié)Y方向變形波動不超過2 mm，圖8為2個地震工況下伸縮節(jié)的X向和Z向的變形包絡(luò)線。由圖8可知，在正常運行+地震工況下，X向4號伸縮節(jié)的變形最大，拉伸和壓縮量最大分別為6.01 mm和6.10 mm；Z向各伸縮節(jié)變形量差異相對較小，伸縮節(jié)變形量的變化范圍在-16.08～13.04 mm之間，大于X方向的變形。在正常運行+蠕滑變形+地震工況下，由于地震引起的伸縮節(jié)變形波動與正常運行+地震工況類似，Z向5個伸縮節(jié)的最大變形量已超過50 mm。

圖8 地震工況伸縮節(jié)變形包絡(luò)線

從2個地震工況計算的結(jié)果來看，地震對結(jié)構(gòu)變形的影響程度有限，其中影響較為明顯的是Z方向即管軸線方向。由于部分管段兩端均是伸縮節(jié)，其約束較弱，在軸向的振動相對更為明顯。

2.2.2 應(yīng)力分析

圖9給出了4號和5號鎮(zhèn)墩之間的管段各動力工況的鋼管的Mises應(yīng)力云圖。由圖9可知，在正常運行+地震工況下，鋼管Mises應(yīng)力大部分小于100 MPa，正常運行工況的應(yīng)力分布規(guī)律與數(shù)值和此差別不大。應(yīng)力較大的地方集中在固定支座的支承環(huán)附近，應(yīng)力最大達(dá)282.05 MPa。正常運行+蠕滑變形+地震工況時應(yīng)力分布規(guī)律與正常運行+地震工況類似，固定支座支承環(huán)附近最大應(yīng)力在蠕滑變形和地震的共同作用下達(dá)到360.78 MPa。結(jié)果表明，內(nèi)水壓力對鋼管大部分區(qū)域的應(yīng)力影響較大，而鋼管應(yīng)力受地震和蠕滑變形影響較小。地面明鋼管抗震主要的問題在軸向約束較弱的管段，管軸向方向位移較大，固定支座受彎比較嚴(yán)重。但總體而言，在現(xiàn)有的布置條件下，鋼管能承受地震的影響，即使結(jié)構(gòu)承受蠕滑變形后遭遇地震，伸縮節(jié)的變形、鋼管的應(yīng)力均在可控范圍內(nèi)，不會造成結(jié)構(gòu)的破壞。

圖9 地震工況鋼管Mises應(yīng)力云圖(單位：MPa)

3 結(jié) 論

(1)地面明鋼管在穿越活動斷層的管段中，配置用來適應(yīng)斷層蠕滑變形的滑動支座和沿線配置適量的波紋管伸縮節(jié)是可行的。在蠕滑變形的情況下地基會帶著鋼管傾斜、偏轉(zhuǎn)，使鋼管主要發(fā)生整體位移，垂直于管軸向方向的蠕滑變形能被很好的適應(yīng)，鋼管間設(shè)置的伸縮節(jié)也承擔(dān)大部分軸向蠕滑變形，對鋼管的影響較小。

(2)地震作用對穿越活動斷層的地面明鋼管影響有限，地震中受影響較大的是軸向約束較弱的管段，主要體現(xiàn)引起管段較大的軸向位移，導(dǎo)致固定支座支承環(huán)受彎和伸縮節(jié)軸向變形增大。

(3)由于地形條件等限制，地面明鋼管可能部分管線較長，兩個鎮(zhèn)墩中間布置多個伸縮節(jié)，對于兩端都是伸縮節(jié)的管段，在斷層蠕滑變形和地震作用下均容易產(chǎn)生較大的軸向位移，需要依靠固定支座加以限制，但固定支座的支承環(huán)容易產(chǎn)生彎曲變形，設(shè)計中要加以重視。