地震波作用下海底管線彎管抗震設計方法

1、第29卷第1期2008年1月石油學報ACTAPETROLEISINICAVol.29Jan.No.12008基金項目:中國海洋石油總公司“十五”重大基礎研究項目“海底管線抗震設計方法研究”(CN00CRC2DEI220022003)資助。作者簡介:段夢蘭男1966年2月生1993年獲石油大學(北京)石油與天然氣機械工程博士學位現(xiàn)為中國石油大學(北京)海洋油氣研究中心教授主要從事海洋工程、結構工程、固體力學等方面的研究工作。E2mail:

2、mlduan@cup.edu.cn文章編號:025322697(2008)0120143206地震波作用下海底管線彎管抗震設計方法段夢蘭1岳志勇2崔玉軍3賈旭3孫政策4(11中國石油大學海洋油氣研究中心北京10224921北京大學力學與工程科學系北京10087131中海石油研究中心北京10002741復旦大學力學與工程科學系上海200433)摘要:根據(jù)海底管道鋪設環(huán)境的實際情況建立了海底管道簡單彎管的力學模型并用地震最大加速度法求得包含

3、1個動力安全系數(shù)的工程設計計算公式。用加速度時程曲線法對彎管的動力學方程進行了數(shù)值計算同時使用有限元軟件驗證了數(shù)值計算結果為動力安全系數(shù)的選擇提供了依據(jù)。關鍵詞:地震波海底管線彎管設計方法力學模型數(shù)值計算中圖分類號:TE873文獻標識碼:ADesignmethodfsubseaspoolsagainstearthquakewavesDUANMenglan1YUEZhiyong2CUIYujun3JIAXu3SUNZhengce4(1.O

4、ffsheOil2gasResearchCenterChinaUniversityofPetroleumBeijing102249China2.DepartmentofMechanicsEngineeringPekingUniversityBeijing100871China3.CNOOCResearchCenterBeijing100027China4.DepartmentofMechanicsEngineeringFudanUniv

5、ersityShanghai200433China)Abstract:Amechanicalmodelofsimplesubseaspoolswasdevelopedaccdingtomarinewkingenvironment.Asimplefmulacontainingadynamiccoefficientwasobtainedbythemaximumseismicaccelerationapproach.Thedynamicequ

6、ationwasnumericallyresolvedbyusingthedataofearthquakewaves.Thenumericalcalculationresultsverifiedbythefiniteelementmethodcanbeem2ployedtodeterminethedynamiccoefficient.Keywds:earthquakewavessubseapipelinespooldesignmetho

7、dmechanicsmodelnumericalcalculation對于海底管線在地震作用下的安全問題近年來愈來愈受到國內外研究人員的重視[125]。我國的海底管線設計參照《日本陸地管線抗震規(guī)范》而按該規(guī)范得到的管線應力大大超出海底管線的實際地震應力計算出的地震應力沒有考慮管線結構尺寸。大量地震災害表明管線的接頭和轉角處比較脆弱容易在地震中損壞。對海底管線彎管部分的抗震設計問題已有一定的研究成果[6210]但至今還沒有成熟的抗震設計規(guī)

8、范。筆者在靜力設計方法的基礎上建立符合實際工程情況邊界條件的簡單彎管的力學模型采用由解析方法得到的簡單彎管的面內振動的動力學方程將地震載荷作簡化處理給出形式上簡單、設計人員易于計算的彎管地震應力計算公式。1彎管的簡化力學模型管線高溫輸送原油時很容易產(chǎn)生屈曲破壞。因此從采油平臺到埋設管線之間的連接管線一般采用膨脹彎管形式(圖1)。在圖1(a)中管線的J點在x向和y向受到采油平臺的約束z向為管線的縱向延伸到采油平臺的頂部K點被固定。但因為管

9、線的縱向伸縮剛度很大管線z向受到了很強的約束從而可以近似假定J點固定。立管JIH段管線懸空HFD段管線平鋪在海底表面從D點開始管線逐漸埋入土壤中(D點也可近似地認為固定在土壤地基上)。由于HFD段管線平鋪在海底表面HJ段管線懸空并且整個彎管部分較長因而一般要在管線的H、G、F點施加約束。例如:第1期段夢蘭等:地震波作用下海底管線彎管抗震設計方法145對天津罕見波加速度時程曲線的頻譜分析發(fā)現(xiàn)譜中低頻幅值較大在地震中起主要作用高頻幅值較小對

10、結構物的影響也較小。這表明頻率較低的結構更容易在地震中產(chǎn)生較大的應力而破壞。3地震載荷作用下彎管的力學分析由于海底彎管的曲率半徑一般取為橫截面半徑的10倍以上因此可以用彎管形心軸線來表示整個彎管并近似認為彎管形心軸和中性軸重合。FG段管線力學模型如圖3所示。圖3簡單彎管力學模型Fig.3Simplifiedmechanicalmodelofbendedpipeline彎管兩端邊界條件中的等效彈簧常數(shù)可以用結構力學中的單位荷載法確定。將地

11、震力等效為沿管線線性均布的靜載荷fx和fy其表達式為fx=ρSaxfy=ρSay式中:ρ為彎管密度kgm3S為彎管截面面積m2ax和ay分別為地震加速度時程曲線中沿x、y方向的最大加速度ms2。對于小曲率彎管其彎曲正應力公式可以近似表示為[11]σ=MyI1(1)式中:σ為彎曲正應力PaM為截面彎矩Nmy為截面內距坐標原點的距離mI為慣性矩m4。圖3中力學模型為超靜定模型可以涵蓋各種情況的邊界條件。例如取沿x、y和θ方向的剛度系數(shù)kGx

12、=kGy=kGθ=∞則G為固定端令kGx=kGy=∞kGθ=0則G點為鉸支。對該超靜定問題由力的平衡方程得QFTG12πrfx=0(2)TFQG12πrfy=0(3)TFrMFTGrMGfxr2cosπ2fyr2sinπ2fxr2=0(4)式中:TF和TG為軸力NMF和MG為彎矩NmQF和QG為剪力Nr為彎管曲率半徑m。設彎管端點F在端部彈簧力作用下的位移和轉角分別為uFxuFyθFz由FG段管線的剛體轉動而引起G點相對于F點的位移和轉

13、角分別為uGFx1uGFy1θGFz1由FG段彎管所受的外力和G端支反力作用而引起的G點相對于F點的位移和轉角分別為uGFx2uGFy2θGFz2。G點總的位移和轉角為uGx=uFxuGFx1uGFx2uGy=uFyuGFy1uGFy2θGz=θFzθGFz1θGFz2(5)式(5)即為位移和轉角的協(xié)調方程。其中位移的正方向取圖3中對應的x軸、y軸的正方向轉角的正方向取逆時針方向而軸力、剪力、彎矩的正方向均與圖3中所標示的方向一致。在式

14、(5)中G點的位移和轉角又等于G點在G端彈簧力作用下引起的位移和轉角即:uGx=TGkGxuGy=QGkGyuGθ=MGkGθ(6)F點在F端彈簧力作用下引起的位移和轉角為uFx=QFkFxuFy=TFkFyuFz=MFkFθ(7)由FG段管線的剛體轉動而引起G點相對于F點的位移(圖4)為uGFx1=rθFz=rMFkFθuGFy1=rθFz=rMFkFθθGFz1=0(8)考慮F端固定不動FG段彎管在均布力fx、fy和G端作用力TG、