1.3　地下管道抗震可靠性研究进展

对于埋地管道震害的研究主要有两类方法:一是依赖于震害实例统计的经验法;二是从管道的地震反应机理出发的理论计算方法。

1.3.1　经验统计法研究进展

经验统计法的基本思想是区分场地条件、管道类型、接头形式、破坏形式、管道直径等多种因素,建立单位长度内管道的平均破坏率与影响因素之间的函数,并利用历史震害资料综合统计给出这类函数中的经验系数,并用之于地下管线震害率的估计或抗震可靠度计算[55]。

假设地震时沿管段l的震害发生是随机独立的,且服从泊松分布,则管段l的两种状态的概率为

式中,Ps和Pf分别为管段l完好状态和破坏状态的概率;Rf为平均震害率,用每千米内的破坏处数表示;l为同一场地某种类型的管线长度。

地震造成的埋地管道的安全问题和安全性评价的关键是震害率的确定。早期的研究中,因缺少找出确切关系的充足资料,多采用地震烈度作为地震动强度参数。Bresko等(1981)建立了震害率Rf与烈度的近似公式[56],即

式中,I为场地烈度。

20世纪80年代末,Shinozuka等在对美国Memphis市的供水管网进行抗震分析时,采用了一种结合专家意见和历史震害得到的震害率简化计算公式[57]。该经验方法选取地震烈度、管径和场地条件等3个影响因素进行了管段震害率的计算,即

式中,MMI为修正的Mercalli烈度(参照意大利麦卡尼Mericalli制定地震烈度表);Cd为管径影响系数;Cg为场地土影响系数。

王东炜(1991)根据中国、日本、美国、墨西哥各国震害资料分析得到管道震害率Rf,并注意尽量排除环境破坏、严重腐蚀等因素造成的震害率的离散性,在没有充分资料的情况下,可取其所给出的震害率的建议值[58]。

邓民宪(1998)根据多次历史地震埋地管道震害调查资料的统计和定性分析,应用灰色系统理论,对埋地管道震害率进行了多因素灰色关联分析,排出了关联序[59]。研究结果客观地揭示出震害率与各影响因素之间的相互关系,为进一步研究埋地管道的震害预测方法提供了科学依据。

由于地震烈度不是一个物理量,而只是一个宏观的、综合的、粗略的等级。而且,地震烈度等级的评定存在模糊性,有些地震学家按照烈度表的规定,根据场地震害确定震中烈度;有的工程师则从振动效应分析,根据房屋或其他工程结构的破坏情况评定震中烈度,以致同一个地方评定出不同的地震烈度[60]。因此,学者们开始基于PGA、PGV和PGD等地震动参数分析管道的震害。

Isoyama和Katayama(1977)[61]用1923年日本关东大地震和1971年美国旧金山大地震中管道破坏的数据,研究了供水管线的破坏率与地面峰值加速度、场地条件及管径的关系,并将这一关系应用于1978年京都地震管道破坏的估计。后来,Isoyama和Katayama根据震害资料统计的管道基本破坏率,提出了一个改进的关于埋地管道破坏估计的公式[62],即

式中,Rm(a)为修正后的破坏率(破坏处数/km);Ci(i=1,2,…n)为各条件因子;a为地面运动最大加速度(cm/s2);R(a)为标准破坏率。

中国的孙绍平[11]研究了日本过去各城市供水管道震害与地面最大加速度的关系,同时和1995年阪神地震、1989年美国Lona Prieta地震进行了比较后,得出明显的提示,即管道震害率和地面最大加速度的增大成正比。

Chen等对台湾地区集集地震供水管线震害分析时,采用以下震害率和PGA的关系表达式[63],即

式中,D为管道直径。

其分析结果与以上管道震害率基本和地面最大加速度增大成正比的结论相一致,且和当地实际震害吻合较好。

基于1971年的美国圣费尔南多地震,1989年的美国加州洛马普列塔地震、1994年的美国北岭地震、1995年的日本阪神大地震等大量震害实例中供水管线震害数据的统计分析,美国生命线工程联合会(ALA)于2001年提出了以下的地下管线平均震害率推荐计算表达式[64]:

(1)由地震波动引起的震害率,即

式中,PGV为地震动有效峰值速度(cm/s);K1为考虑各类影响因素的调整系数。

(2)由地面永久变形引起的震害率,即

式中,PGD为地震动有效峰值位移(cm);K2为考虑管材、接头形式的调整系数。

基于历史震害的经验统计法易于应用,但受到震害统计资料有限及多种不确定性因素的影响,使其计算结果难以应用于较为细致的管线抗震可靠性分析中。

1.3.2　理论计算法研究进展

理论计算法是根据地下管道的动力反应分析、模拟试验及现场实测资料,在某些假定下建立管道的动力反应方程,用分析数学的方法求解管道的应力(应变),然后由规范或试验确定的管道允许应力(应变)分析管道的可靠性。

管道的抗震可靠性研究一般采用比较简单、实用的反应计算方法。例如,Shinozuka等采用概率方法通过波动方程求得场地和管道的应变,并假定其为正态随机变量。由于考虑的管道为焊接钢管,通过规范得到钢管的允许极限应变ε1作为结构抗力[65]。简单地假定管道严重破坏和中等破坏的临界应变分别为ε1和0.7ε1,得到管道的破坏概率为

式中,p1、p2分别为管道严重破坏和中等破坏的概率;Φ(·)为标准正态分布函数;μ、σ分别为管道应变的平均值和标准差。

韩阳、孙绍平根据国内给水管道的震害特征和管道接口抗震试验,以管道在地震波作用下的接口破坏为主要破坏模式,定义了管道破坏的3种状态,同时考虑地震效应和管道抗力的随机性,建立了地下管道震害预测的概率模型,并给出了管道允许变形值[66]。该方法和有关参数已在国内外许多工程上得到应用。

冯启民等(1987)提出了生命线工程的可靠性分析方法,假定管道的破坏服从高斯分布,并给出了均值和偏差的计算公式,考虑到地震动发生及场地破坏概率,用全概率公式计算管道的破坏概率。

赵成刚、冯启民等(1992)基于《室外给水排水和煤气热力工程抗震设计规范》(TJ 32—78)给出的地下直管道的分析模型,考虑了地震发生的随机性和地震烈度划分的模糊性以及地下管道的3种破坏状态和相应的模糊变形(或模糊应力)区间,建立起地下直管线在地震波作用下的模糊随机可靠性分析方法[67]。

麻水崎、王小军等(1993)根据管道的空间展布和场地震害特征,按管道场地在未来地震时所受灾害的种类,给出了对管道有影响的地震、液化、断层位移的概率预测模型和管段的功能失效概率模型[68]。

撖凤玲等(1997)采用模糊数学法进行埋地管线震害预测的方法和步骤,并对忻州市供水管网主干线进行了震害预测,给出了在地震烈度Ⅶ度至Ⅸ度作用下的震害预测结果[69]。高小旺等(1998)按波动理论对地震作用下供水管线反应的计算方法进行了分析,探讨了地下管道变形传递系数的两种计算方法,并论证了采用考虑管土间相对位移的双线性模型的合理性[70]。

邓民宪等(2001)根据震害调查分析和试验研究结果,建立了由环境因素和管道结构参数对地下管道震害进行二级多因素模糊综合评判的方法[71],为面广量大的已建地下管道的震害预测工作提供了一套方便实用的计算方法。

符圣聪(2004)根据我国新的《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》(GB 50032—2003)有关规定,建立埋设管道的抗震安全裕量方程,借助于电子表格(Excel 2000)中的规划求解软件计算可靠度指数,对埋地管道进行抗震可靠性分析,并应用该方法对唐山地震天津地区埋设管道的震害做了评价[72]。

周静海等(2007)将地面运动看作在时间和空间上分布的随机过程,建立地下供水管道在地震力作用下的力学模型、数学模型及其在非平稳激励下的响应数学表达式、可靠度数学表达式,采用首次超越破坏理论分析管道的可靠度[73]。

理论计算法可考虑待测管网的具体结构、环境特性,抓住了导致管线破坏的主要影响因素,使抗震可靠性的分析建立在比较理性化的基础之上。不足之处是目前尚难较为全面地反映影响地下管线失效的种种复杂因素,且管道破坏准则、结构允许抗力和反应计算中涉及的有关参数的取值都有待深入研究。