水下懸浮管道地震響應(yīng)分析＊

周家才 雷 凡 楊吉新

（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司1） 武漢 430050） （武漢理工大學(xué)交通學(xué)院2） 武漢 430063）

0 引 言

海底輸油管道是海洋石油工業(yè)的一種有效運(yùn)輸工具，我國已經(jīng)建成的海底管道約2 000km．設(shè)計(jì)時(shí)通常平鋪在海底，沿線與海床接觸．但由于其使用環(huán)境較為復(fù)雜，常受到波浪、海流、地震等荷載的作用，會(huì)導(dǎo)致局部與海床脫離，使部分管段成為懸浮結(jié)構(gòu)［1－3］．同時(shí)，用于交通運(yùn)輸?shù)乃聭腋∷淼?，也已得到廣泛關(guān)注，相關(guān)的設(shè)計(jì)和建造技術(shù)正在研究之中，有望成為重要的跨海運(yùn)輸工具．這類水下懸浮管道的工作性能，與陸地結(jié)構(gòu)有較大的區(qū)別［4－6］．本文應(yīng)用流固耦合數(shù)值分析方法和ANSYS軟件，對水下懸浮管道的地震響應(yīng)進(jìn)行分析，以求對其動(dòng)力性能所了解，促進(jìn)其設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展和完善．

1 計(jì)算模型

1.1 模型參數(shù)

選取抽象的3個(gè)懸浮圓管計(jì)算模型，長度分別為20，30，40m．結(jié)構(gòu)尺寸及材料參數(shù)見表1．

表1 模型基本參數(shù)

假定圓管處于無限深海中，圓管兩端完全固定．建立圓管及水域的三維數(shù)值模型，整個(gè)計(jì)算區(qū)域取長方體區(qū)域來模擬無限流場，水體邊界取6倍圓管外徑，水體外四周采用無窮邊界［7］．水體采用三維流體單元進(jìn)行離散，圓管采用三維實(shí)體單元離散．劃分后的截面網(wǎng)格及整體網(wǎng)格如圖1所示．有限元模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為21 816，單元數(shù)為19 200．

1.2 地震波

所采用的地震波為埃爾森特羅波（El Centro）波，地震動(dòng)持時(shí)為30s，時(shí)間間隔為0．02s，如圖2所示．分析時(shí)地震波沿坐標(biāo)x方向即垂直于管線縱軸線輸入．為考慮不同強(qiáng)度地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)變化規(guī)律，將El Centro地震波乘以一系列強(qiáng)度系數(shù)，使之成為一組不同強(qiáng)度的地震波．

圖1 計(jì)算模型（管長30m）

圖2 El Centro波加速度時(shí)程

1.3 計(jì)算工況

取管道為空載，即管內(nèi)無液體和固體物，管外為靜水，對地震加速度峰值分別為0．5，1，2，4m／s24種情況下的響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算．為與置于空氣中即管外無水狀況進(jìn)行比較分析．

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 地震加速度峰值為0．5m／s2 時(shí)的響應(yīng)

3個(gè)模型在地震加速度峰值為0．5m／s2時(shí)的跨中位移和應(yīng)力見圖3～5．

2.2 地震加速度峰值為4m／s2 時(shí)的響應(yīng)

3個(gè)模型在地震加速度峰值為4m／s2時(shí)的跨中位移和應(yīng)力見圖6～8．

圖3 20m圓管地震響應(yīng)

圖4 30m圓管地震響應(yīng)

3 結(jié)果分析

從圖3～8可見：

1）相同荷載情況下，各圓管的位移響應(yīng)和應(yīng)力響應(yīng)隨時(shí)間的變化趨勢基本一致．考慮水作用時(shí)的最大位移和最大應(yīng)力均大于不考慮水作用時(shí)的最大位移和最大應(yīng)力．因此，在地震作用下，水與結(jié)構(gòu)的相互作用可能會(huì)增大結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，使結(jié)構(gòu)偏于不安全，對水中結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震分析時(shí)，考慮水的作用是十分必要的．

圖5 40m圓管地震響應(yīng)

圖6 20m圓管地震響應(yīng)

圖7 30m圓管地震響應(yīng)

圖8 40m圓管地震響應(yīng)

2）比較考慮和不考慮水作用2種情況下的時(shí)程曲線，考慮水作用時(shí)的響應(yīng)并不總是大于同一時(shí)刻不考慮水作用時(shí)的響應(yīng)，且最大值發(fā)生的時(shí)刻也不相同．

為進(jìn)一步比較圓管在水中與空氣中地震響應(yīng)的大小，下面再對圓管跨中響應(yīng)峰值隨地震強(qiáng)度的變化規(guī)律進(jìn)行討論．由于20，30，40m長圓管的跨中節(jié)點(diǎn)地震響應(yīng)峰值隨地震強(qiáng)度的變化曲線基本一致，下面以20m長圓管為例．

20m長圓管在考慮水和不考慮水的情況下，地震加速度峰值為0．5，1，2，4m／s2時(shí)的最大位移和最大應(yīng)力見圖9．

圖9 圓管跨中響應(yīng)峰值隨地震強(qiáng)度的變化曲線

從圖9可以看出，最大位移和最大應(yīng)力曲線的變化規(guī)律基本一致，隨著地震加速度峰值的增大，圓管的最大位移和最大應(yīng)力也相應(yīng)增大．但比較考慮水和不考慮水的地震峰值響應(yīng)知，考慮水的圓管的跨中最大位移和最大應(yīng)力較不考慮水的結(jié)果大，且隨著地震強(qiáng)度的增大，考慮水的地震響應(yīng)增幅也較不考慮水的情況大．

4 結(jié)束語

本文針對地震作用下水下懸浮管道地震響應(yīng)進(jìn)行了探討．建立了地震作用下水中懸浮管道分析模型，通過比較有水、無水情況下的計(jì)算結(jié)果，探討了地震作用下水下懸浮管道地震響應(yīng)規(guī)律，并分析了結(jié)構(gòu)長度、地震強(qiáng)度等因素對結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響．結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在有水和無水兩種情況下，結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的峰值在不同時(shí)刻發(fā)生．在大部分時(shí)間內(nèi)，考慮水作用時(shí)的地震響應(yīng)均大于不考慮水作用時(shí)的地震響應(yīng)，且這種差別隨著地震強(qiáng)度的增加而增大．

［1］張 敏．橋墩與河水流固耦合振動(dòng)分析［D］．大連：大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2006．

［2］Gong S W，Lam K Y，Lu C．Structural analysis of a submarine pipeline subjected to underwater shock［J］．International Journal of Pressure Vessels and Piping，2000，77（7）：417－423．

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［4］何 勇．隨機(jī)荷載作用下海洋柔性結(jié)構(gòu)非線性振動(dòng)響應(yīng)分析方法［D］．杭州：浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，2007．

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［6］王變革．水下懸浮隧道錨索的動(dòng)力響應(yīng)研究［D］．大連：大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2007．

［7］楊吉新，張 可，黨慧慧．基于ANSYS的流固耦合動(dòng)力分析方法［J］．船海工程，2008，37（6）：86－90．