穿越平移断层海底埋地管道屈曲失效分析

摘要：

长输海底管道常不可避免地穿过地震断层,地震断层活动可能导致管道发生扭曲、皱折甚至断裂,极大威胁管道安全.采用创新性的向量式有限元方法(VFIFE)分析穿越地震断层海底管道屈曲失效行为,首先推导考虑材料非线性的VFIFE空间壳单元计算公式,提出适用壳单元的非线性管土耦合模型,然后重点解决了海底管道屈曲及屈曲传播过程中存在的内壁自碰撞接触问题,编制了 Fortran计算程序和相应后处理程序.通过文献对比证明了模型的正确性.开展了平移断层作用下空载状态海底管道屈曲失效过程模拟,分析了穿越角度、土体性质和水压大小对海底管道屈曲失效行为的影响,结果表明:海底管道径厚比小,用钢等级高,周围土体强度低,具有更高的抵抗断层位移载荷能力;较低外压和平移断层联合作用下,管道变形呈S形,屈曲失效由断层位移引起的过度弯曲主导,失效模式是第二个弯曲处或者两个弯曲处的受压侧出现明显内陷,截面变形呈椭圆形;穿越角度越小,屈曲失效的临界断层位移越小;周围土体强度越高(砂土＞黏土＞淤泥夹砂),管道弯曲变形越严重,屈曲失效的临界断层位移越小;较高外压和平移断层联合作用下,屈曲失效由外压主导,主要模式是第一个弯曲处或者第二个弯曲处首先出现压溃,然后发生屈曲传播现象;不同水压和平移断层位移组合下海底管道破坏程度不一,压溃位置、屈曲传播方向和范围、截面变形呈现不同模式.结果可用于指导穿越地震断层海底管道抗震设计和止屈防护研究.

关键词：海底管道、屈曲失效、向量式有限元、管土耦合、抗震设计

所属期刊栏目：39

分类号：TU312+.1;P756.2(建筑结构)

资助基金：高技术船舶科研项目;陵水半潜式生产平台研究专项项目;河南省重点研发与推广专项项目

在线出版日期：2022-11-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共15页

页码：242-256