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1、1 0 0 低温建筑技术 2 0 1 3 年第 8 期( 总第 1 8 2 期) 冻土与地基基础 地下管道抗灾试验研究述评 李海青 ， 王威 ， 岳增书 ( 北 京工业大学抗震减灾研 究所 北京1 0 0 1 2 4 ) 【 摘要】 由于工作环境的复杂性和承受荷载的不确定性， 地下管道抗灾试验研究必不可少。根据抗灾试 验研究内容的层次 ， 首先从试验对象、 荷载类型和试验设备三个方面， 评述了与管道行业标准试验、 土木结构试验 相比地下管道抗灾试验的特点， 然后根据试验研究的不同分类， 总结管道的抗灾试验研究的方法和内容， 其中侧 重介绍了不同试验采用的试验设备、 加载方式和试验过程 ， 总结
2、以往抗灾试验的经验， 提出常规抗灾试验中存在 的问题和难点 ， 并探讨解决思路和方法， 为后继的类似试验提供参考。 【 关键词】 地下管道； 抗灾试验； 发展趋势 【 中图分类号】 T U 9 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 3 ) 0 8 0 1 0 0 0 3 0引言 地下管道是城市运行和现代工业的大动脉， 被称 为城市生命线工程。城市的规模越大， 对生命线系统 的依赖性越强 ； 在各种致灾因素作用下， 地下管道系 统的破坏和由此产生的次生灾害， 以及对城市的危害 也越严重 。 地下管道的受力情况复杂 ， 除承受输送介质时的 内压
3、， 还有地面的活荷载、 覆土压力、 土体位移和地震 波动等作用。这些都会扰动和破坏管道周围土体的 稳定性 ， 改变管道的正常工作状态， 使管道受到轴向 拉压、 弯曲、 扭转、 剪切变形和管道 内压 的耦合作用 ， 造成管道的泄漏破坏。 1 地下管道抗灾研究 的内容 研究地下管道的防灾措施， 需要研究以下 内容： 管道及接 口的强度和变形能力， 确定其抗灾能力； 管 道的承载力， 确定管道承受的外力 ； 将管道的外力与 抗灾能力比对， 确定地下管道在荷载下是否处于安全 状态 。 地下管道按研究方法可分 为： 理论研究、 数值模 拟和试验研究。地下管道抗灾能力理论研究和数值 模拟是对实际情况做出假
4、定和简化后进行， 为验证计 算方法和模型假定的合理性， 准确把握地下管道响应 规律， 进行试验研究是必不可少的。地下管道抗灾试 验针对研究对象分为： 管道性能试验、 管 一土相互作 用试验和外部荷载作用试验 ， 其层次关系如图 1 所示。 地下管道抗灾试验有以下特点： 试验对象不同 于管道行业标准试验。 地下管道抗灾试验的对象主 要是超越标准限制的管道、 新型管材和特殊要求的管 材 ， 如大直径管、 钢骨架 P E复合管； 荷载作用类型 不同于土木结构试验； 试验尺度和设备不同于地下 基金项目】 国家自然科学基金( 5 1 208 0 1 7 ) ； 北京市博士后工作经费( 2 0 1 2 Z
5、 Z一 1 7 ) ； 中国博士后科学基金资助项目( 2 0 1 1 M 5 0 0 1 9 9 ) 如图 8 ( c ) 所示， 在连接 区将预埋件 M I _1 放置在钢管 混凝土柱 中， 同时四周与钢管焊接在一起 ， 在其上焊 接钢柱 ， 实现两种柱形式 的连接过渡。 6结语 本文结合空中技巧滑雪场这一特殊实际工程， 给 出结构体系的构建与特色 ， 采用有限元软件 A N S Y S 对 该体系中最不利的轴和轴平面钢框架开展了静 力分析， 获得钢框架的内力和变形， 据此进一步开展 了框架在罕遇地震下的时程分析， 获得弹塑性层间最 大位移， 均满足规范要求。最后给出钢框架增强的施 工构造措
6、施 ， 可为同类多功能滑雪场工程在不同地区 的建设提供借鉴和参考。 参考文献 1 G B S 0 0 1 I 一 2 0 1 0 ， 建筑抗震设i -I - 范 s 2 张朝晖 A N S Y S 1 1 0结构分析工程应用实例解析 M 北京： 机械工业出版社 ， 2 0 0 7 3 G B 5 0 0 1 0 201 0 ， 混凝土结构设计规范 s 4 赵鸿铁 钢与混凝土组合结构 M 北京： 科学出版社， 2 O O 4 5 C B 5 0 0 1 2 201 2 ， 钢结构设计规范 s 6 G B 5 0 0 1 3 2 0 0 3 ， 结构荷载设计规范 s 7 薛伟辰 现代预应力结构设计
7、 M 北京 ： 中国建筑工业出版 社 。 2 0 0 3 收稿日期】 201 3一 o 4 - 0 8 作者简介】 王清玲( 1 9 6 2 一) ， 女， 黑龙江兰西县人 ， 工程师 从事土建现场施工监理和管理工作 。 李海青等： 地下管道抗灾试验研究述评 1 0 1 结构试验。地下管道为长线型分布， 模型试验时， 试 验设施也要为长线型分布； 地下管道重量小、 对加载 设备要求低， 但其原型尺寸小 ， 相似 比大， 对试验设备 的加载行程要求高。 图 1 地下管道抗 灾试验研究层次 2 地 下管道抗灾试 验 2 1 管道材性和接 口性能试验 管道的性能是评价地下管道的抗灾能力的基础 ， 对
8、超越标准要求 的管材、 新型管材、 复合荷载作用管 道， 需要对其强度和变形进行测定 ， 郑津洋对新型钢 丝缠绕增强 P E塑料复合管进行试验研究 ； 胡少伟 测试了直径 4 m的超大预应力钢筒混凝 土管道 承载 能力 。 接头是管道结构装置， 每个装置 自身及装置之间 的相互作用具有非线性， 如非线性摩擦滑移、 受压性 能、 受拉约束 、 端头表面剖割或鼓起等 ， 理论分析往往 难以实现， 需要通过试验确定其性能。根据地下管道 接口的类型可分为连续式和分段式， 连续式管道的接 口为一体式连接， 如钢管焊接、 P E管热融， 其接 口的强 度较 高 ； 分 段式 管道采 用 分段 承插 或法
9、兰连 接 ， 如铸 铁管、 U P V C管道 ， 其抗拉性能较差。国内有关管道接 口的试验研究多集 中在承插式管道接 口的抗拉性能。 研 究 表 明 ， 接 口的抗拉 力 随埋 深线 性增 加 ， 试 验 研究 多将接口抗拉力研究和管土作用研究分开 ， 将接 口与 管道材性试验分开， 仅截取接 口部分进行试验 ， 如周 静海对 U P V C 、 钢管焊接接头进行静力抗拉试验 。 大口径钢筋混凝土管道广泛应用于给排水干管 ， 由于受灾破坏后更换困难， 常需加固修复。对加固管 道性能试验时 ， 采用预损管件作为试件， 加固后进行 力学性能试验 ， 如王苏岩对不同损伤程度的混凝土圆 管进行 承载
10、力试验 。 金属管因工艺缺陷、 施工条件和使用环境 的影响 产生锈蚀 ， 降低了管道的工作安全性。针对管道的腐 蚀 ， 学者们集中于研究管道的腐蚀机理、 管道腐蚀后 的性能评价、 腐蚀 的监测及防腐措施， 试验研究集中 于周围环境对管道腐蚀 的影响规律和管道腐蚀后 的 性能 。 2 2 管 一 土相互作用试验 研究管 一土相互作用 ， 可深入了解外荷载向地下 管道传递的大小和方式。根据管 一土相对位移的特 性， 可分为静载拉拔试验和动力作用试验， 如叶耀先 通过爆炸振动试验 ， 研究动力作用下管土间共同变形 及回填介质对管线受力的影响 。 2 3 各类外荷载作用下地下管道试验 2 3 1 覆土
11、 压力 和地面活载 地下管道的受力、 变形受到回填材料和回填方式 影响， 尽管变形是管道安装时强度发展的必要步骤， 但为保证良好的管道性能， 研究覆土压力与地面荷载 下管 一土作用机理 ， 有助于控制管道的变形。此类试 验 的过程较为简单， 将带有变形和应力测量元件的 管道埋于试验土箱 内， 从 回填覆土开始测量记录管道 的位移和挠度 ， 直至 回填完毕或在地表施加荷载完 毕 ， 以研究不同回填材料、 回填方式和回填深度对地 下管道 的影 响。 道路下埋地管道承受地表交通活载的反复加载 卸载， 产生附加应力， 使管道发生较大的局部位移和 挠曲， 影响管道 的正常使用。对这类 问题 的原位试 验
12、 ， 采用载重卡车加载 ， 如余红伟 。模型试验则利 用加载设备施加反复荷载 ， 测得管道的反应， 如 T a r - r e s h i 对 H D P E管道进行的反复荷载试验 。 2 3 2 洪水 冲击 河底管道、 海底管道的工作环境恶劣， 其工作状 态和运行变化规律很难掌握 ， 对其运行的监测与维护 存在诸多不便 ， 因此对洪水 冲击和海底浊流冲击下的 管道反应进行研究便显得尤为重要， 如何模拟洪流的 流速和管道 模 型 的相 似 比 的选 取 是此 类试 验 的一个 关键 点 ， 如 姜 群 发 以 不 同 的水 流 速 度模 拟 洪 水 冲击 。 2 3 3 爆炸荷载 地下管道对于
13、城市正常运转的重要作用 ， 可能成 为恐怖分子袭击 的 目标， 研究爆炸荷载下 的管道反 应 ， 可为地下管道采取安全措施提供依据。都的箭利 用弹坑内的T N T药柱， 研究邻近埋地管道的爆炸冲击 反应川 ； 唐献述则通过在钢管外壁粘贴 T N T直接引爆 的实验， 研究管道触爆点处的破坏特点 。此类试验 为原型室外 试验 ， 且危险性 大 ， 需要严格 的安全措施 。 爆炸的空间冲击作用 ， 与爆炸引起的重力作用呈 3次方关系， 离心机模型试验中高重力加速度下的小 当量爆炸和普通重力环境 中的实际爆炸所起 的作用 是相同的， 如在 7 0 g的重力加速度下， l g炸药的作用 与实际 3 4
14、 3 k g 的炸药作用相同， 因此有学者利用土工 1 0 2 低温建筑技术 2 0 1 3年第 8期 ( 总第 1 8 2期) 离心试验机创造高重力环境 以模拟实际环境下大当 量爆炸作用u 。 2 3 4 邻近开挖作用 城市建筑深基坑工程及地铁工程进行的钻探、 打 桩、 盾构掘进等活动 日益频繁 ， 容易造成地下管道的 损坏。在施工前应首先查清临近的管线的类型和埋 深等情况， 然后视影响大小对地下管道采取相应的监 测手段和保护措施。对地基开挖过程中邻近埋地管 道的反应用现场检测方法及数值模拟的方法进行研 究， 如关永平以 F L A C 3 D为分析平台， 建立地铁隧道、 土体和地下管道的三
15、维模型， 分析隧道开挖对管线的 影响 。 3结语 随着试验设备的改进， 地下管道试验研究将继续 深入。借鉴已有的成果可以看 出， 该领域研究 的问题 及趋势有以下几方面： ( 1 ) 新型管材及接 口抗灾性能。目前用于城市 供水和供气管网系统的管材除了传统的钢、 铸铁等金 属管外、 U P V C 、 钢骨架 P E复合管等热塑性管材也得 到了广泛应用 ， 这些管材有较好 的塑性变形能力， 能 适应较大的土体变形， 但承载力较低 ， 材性受环境影 响较大。这类热塑性管道在现有的外荷载下的试验 多集中在给定荷载下管线的反应 ， 未能达到管线的极 限破坏程度 ， 因此 ， 各类外荷载下管线的极限破
16、坏准 则仍需进一步研究。国内采用较多的球墨铸铁管有 多种形式柔性接口， 尚缺乏多种接头性能的系统全面 试验研究 。 ( 2 ) 常态运行管线安全性评价试验。日常运行 状态下 ， 地下管道的破坏主要是由于管线腐蚀老化或 其他市政施工开挖破坏引起的， 目前的试验研究多集 中于突然 自然灾害作用对管道的影响。保障地下管 道的安全运行， 不仅要关注其在特定灾害下的保障能 力， 更要提升其常态运行的安全性。 ( 3 ) 破损老化管道的加固修复性能试验方法。 实际破坏的管道试件不易获得 ， 此类试验的试件多为 人工预损 ， 这与灾后管道实际情况的区别还需进一步 研究。现有的试验研究集 中在验证加固后 的管
17、道性 能进行提升 ， 尚缺乏有关不同加固强度对不同破坏程 度管道的适用性的分级研究。此外， 现有加固试验注 重于加固管道的承载力提升的验证 ， 实际工作中的管 道不仅要考虑强度指标 ， 还要保证气密性和水密性等 功能指标。 ( 4 ) 多点地震激励下管道反应试验设备。国内 外所进行的土 一 结构动力相互作用振动台试验中， 土 体边界条件的模拟是公认试验难点。 目前 国内外 己 有可模拟地震多维激励的振动台台阵， 且实现了地上 结构的多点地震激励试验 ， 但针对于地下结构尤其是 长线型地下管道而言， 多点地震激励试验的难点集 中 在： 安放在振动台阵上埋设管线的土箱不仅要满足土 体边界条件 ，
18、还要满足土体连续性条件， 如何设计此 类连续式土箱是完成试验的关键点。 参考文献 1 郑津洋 ， 卢玉斌， 李翔， 等 钢丝缠绕增强塑料复合管力学性能 的试验研究 J 中国塑料， 2 0 0 6 ， 2 0 ( 6 ) ： 8 2 8 8 2 胡少伟 南水北调超大钢筒混凝土管道结构安全评估 J 水 利水运工程学报， 2 0 0 9 ， 1 2 ( 4 ) ： 7 4 8 2 3 周静海， 赵爽， 刘爱霞， 等 地下 U P V C供水管线柔性接口抗拉 强度实验 J 沈阳建筑大学学报 ( 自然科学版) ， 2 0 0 7 ， 2 3 ( 3 ) ： 4 0 7 4 1 0 4 王苏岩， 刘飞，
19、何化南 ， 等 纤维布加固震损钢筋混凝土管道试 验 J 沈阳建筑大学学报( 自然科学版) ， 2 0 1 0 ， 2 6 ( 2 ) ： 2 1 6 5 吴锡合 西气东输新疆段压气站埋地管道腐蚀与防腐技术研 究 D 成都： 西南石油大学， 2 0 1 0 6 叶耀先， 魏琏， 陈聃 浅埋地下管线的振动性状 c 中国建 筑学会地震工程学术委员会 一 地震工程论文集 北京 ： 科学出 版社 ， 1 9 8 2 ： 7 9 8 6 7 T es h i n o r i K a w a b a t a ， Y es h i y u k i M o h r i ，H i r o y u k i T a
20、m u r a ， e t a 1 F i e l d T e s t f o r B u r i e d L a r g e S t e e l P i p e s t I l T h i n Wa l l J P i p e l i n e s ， 2 0 0 6 8 余红伟， 倪友伟， 姚士洪 车辆载荷碾压作用下管道的安全性 测试与分析 】 管道技术与设备， 2 0 0 8 ， ( 5 ) ： 6 8 9 s N M o g h a d d a s T a f r e s h i ，O K h a j A n a l y s i s f r e p e a t e dl o a d l
21、a b o r a t o r y t es t s O il b u r i e d p l a s t i c p i p e s i n s a n d J ， S o i l D y n a m i c s a n d E a r t h q u a k e E n g i n eer i n g ， 2 0 1 1 ， ( 3 1 ) ： 1 1 5 1 0 姜群发 洪水冲击管道模拟实验装置设计与试验 J 科学技 术与工程， 2 0 1 0 ， 1 0 ( 1 7 ) ： 4 2 6 3 4 2 6 6 1 1 都的箭， 马书广， 杨惊东 埋地管道爆炸地冲击作用的试验研 究 J 工程
22、爆破， 2 O O 6 ， 1 2 ( 2 ) ： 1 9 - 2 3 1 2 唐献述 ， 王树民， 贺五一， 等 外接触爆炸作用下大口径金属 管道破坏效应实验研究 J 工程爆破， 2 0 0 9 ， 1 5 ( 4 ) ： 5 - 7 1 3 3 A n i r b a n D e ， Tho m a s Z i m m i e ， e t a 1 C e n t r if u g e E x p e r i m e n t s t o S t u d y S u r f a c e B l a s t E ff e c t s o n U n d e r g r o u n d P i p e l i n e s J AS CE， P i p e l i n e s ， 2 0 0 5： 3 6 23 7 0 1 4 关永平， 郭龙， 李云龙 城市地铁开挖对相邻地下管线影响的 数值分析 J 水利与建筑工程学报， 2 0 1 0 ， 8 ( 2 ) ： 1 1 1 3 【 收稿日 期 2 0 1 3 0 4 1 5 作者简介】 李海青( 1 9 8 7一) ， 男， 河南驻马店人， 硕士研究 生， 研究方向： 结构安全与加固。