本文是一篇土木工程论文，笔者借助ABAQUS软件，对走滑断层作用下埋地管道进行研究，得到埋地输气管道壁厚、管道钢级、管径、管道埋深、管道内压，对埋地输气管道的影响规律。
1绪论
1.1研究背景
管道运输有着高效、安全及成本低的优势，因此广泛应用于油气的长距离运输中。2021年，原油加工量达到7亿多吨，同比增长4.3%，增速同比增加1.3个百分点，全国天然气消费量为3.69千亿立方米，增量为410亿立方米，同比增长12.5%。同时因为我国陆地天然气资源分布不平衡，大多集中在四川、新疆塔里木盆地、内蒙古鄂尔多斯等地，并且我国对天然气有着大量的进口需求，所以作为天然气开发和使用的枢纽，管道运输有举重若轻的地位。同时埋地管道作为生命线工程之一，至今依然是研究热点。生命线工程损坏后，并不局限于妨碍自身正常运用，而且会伴随着严重次生灾害，这些次生灾害所带来的经济损失与人员伤亡通常是十分惨重的。
西气东输管道、中哈原油管道及中俄油气管道等大型管道相继建成，我国干线管道的总距离以超过20万千米，其中西气东输一二线工程共穿越22条大型活动断层带，中缅输油管道穿越18条活动断层。当埋地输气管道穿越断层，管道更容易断裂或屈曲。
我国领土面积较大，地形地貌情况相当复杂，有数量众多的地震带，也是全球地震活动最为剧烈和频繁的地区。我国境内地震区分布较广，因此管道必然要经过地震区。许多研究都指出管道的破坏与地震的影响有关。国内外类似情况并不少见，如1975年我国海城地震时，根据地震后的统计数据显示，地震对城镇各类建筑物造成了破坏，占原总面积的12.8%的公共设施遭到了较为严重的破坏。其中给排水管路有16万余米。
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1.2国内外研究现状
1.2.1断层错动对于埋地管道影响
1975年，Newmark及其学生Hall[1]首次提出断层错动作用下管道反应分析的方法，将埋于地下的管道视为悬索结构，通过计算其地震响应来评估系统是否发生了应力波。同时忽略了旁边土层侧向土压力及管道弯曲变形情况，通过对地震作用下的裂缝分布规律和应力集中程度进行分析，得出了不同构造位置上断裂带与断裂带之间存在着一定关系。经试验验证，该方法对管线的应变应变要小。
1977年，Kennedy[2~4]利用大挠度理论改进Newmark-Hall法，同时考虑了管道弯曲变形和横向管土之间的相互作用。在此基础上，通过数值计算得到不同边界条件下弯管结构受力时位移场、应力分布及内力变化等情况，并与试验结果作比较分析。在弯曲应变小于0.8倍轴向应变时，可以得到比较准确的结果。1980年，Datta[5]使用薄壳模型对管道在地震中的反应进行分析，与实际情况对比后得出薄壳模型比梁模型更符合实际情况。
1991年，Arimant和LeeB J[6]尝试建立弹性半无限空间薄壁有限元模型，观测跨断层埋地管道的破坏过程。本文首先介绍了数值模拟方法，然后对两种计算模式进行对比分析研究，最后提出一种新的求解此类问题的通用算法——基于有限单元法(FLAC3D)。该计算方法能有效减少网格数量和计算资源，并可在较短的时间内完成复杂情况下的多目标优化设计。
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2断层及埋地管道分析方法
2.1断层的选择
断层就是在地表狭长地带构成的边界两侧地盘运动存在着不连续性，这种不连续性面就叫做断层。断层研究有着悠久的历史，不同的专业专家学者依据自己的研究目的，对断层进行了各种各样不同的研究。但因为抗震设防的要求，在工程中人们更加关注断层对于工程结构物及相关设施设计与建造的影响，随着断层错动距离增加，管线两侧应力与变形增加因此地震学家与地质学家对活断层进行检测与监测等等，对活断层进行了危险性评价，为工程场地规划及既有工程安全性评价奠定了基础。
地壳携土体沿断裂面移动的现象叫断层如图2.1所示，分为四类，正断层、逆断层、走滑断层、斜滑断层。不同类型的断层在作用形式上有着不同的特点，其中走滑断层的一侧土体相对另一侧土体产生水平位移。
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在以上断层形式中，走滑断层带分布广泛，是最主要的断层类型，占到所有断层类型的70%以上，我国的浅源地震带多为走滑断层，另外相较于其他断层类型，走滑断层往往位移距离较大，更容易对埋地管道造成破坏，所以本文主要以跨走滑断层埋地输气管道为研究对象。
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2.2研究方法分析的总结
2.2.1 Newmark-Hall法
Newmark-Hall法最早在1975年被提出来，它是一种预测管道在受拉过程中对大断层位移响应的近似计算法，为后世跨断层管道的变形研究提供了依据。该管线预定埋设于具有滑动边坡的较浅壕沟中，这就使得该管线可能会向周边土壤产生侧相向及竖向位移，因而符合施加于断层上的运动，Newmark-Hall法中假设管道响应断层运动时，有效锚固点间存在轴向变形。必须限制变形，使管道不完全屈服。该方法中的管材本构如图2.2所示的三折线模型。
管道钢的应力应变关系分为弹性区、弹塑性区和塑性区三部分，其中E1和E2表示管道钢弹性区的弹性模量与弹塑性区的切线模量，数值上呈现为弹性区折线与弹塑性区折线的斜率；σ1，ɛ1为埋地管道的弹性屈服应力和屈服应变；σ2，ɛ2为管道钢材进入纯塑性区的起点。
土弹簧模型不需要实际建立土壤实体，只需要在管道周围设置管轴、水平、垂直三个方向的土弹簧模拟管道与土体间的相互作用，大大减小了建模难度，弹簧的刚度由土体性质和断层运动的形式决定，土弹簧模型能够充分减少有限元计算时的单元数，减少计算成本，在埋地管道的模拟中有非常广泛的运用。
采用ABAQUS中的实体单元模拟土体能够很好反应管土间作用的特点，提升有限元模型的模拟精度。管道周围设置弹塑性土弹簧是一种对于土体作用的简化，并不能真实体现土体与管道间的相互作用，同时并不能反映出管道的屈曲破坏。
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3 断层作用下埋地管道分析 ................................. 20
3.1 走滑断层作用下埋地管道有限元模型的建立 ............................ 20
3.1.1 有限元模型假设条件 ...................... 20
3.1.2 确定有效计算区域 ............................. 20
4 埋地管道隔震设计 ................................. 42
4.1 引言 ..................................... 42
4.2 隔震原理和系统组成 ............................. 42
5 结论与展望.................................. 51
5.1 结论 ..................................... 51
5.2 展望 ................................. 51
4埋地管道隔震设计
4.1引言
地震的发生可能会造成断层的错动和破坏，甚至是对人类生命财产造成巨大的伤害。因此，为了防止这种事故的出现，人们需要采取一定的措施来减少或者避免地震的产生。但是，由于目前我国大多数地区都处于地震带上，而地震带又具有很强的区域性特征，这就使得我们很难根据实际情况选择合适的预防措施进行预防。
现在基础隔震技术发展较成熟，在地震工程界是一项得到普遍推广和运用的技术，隔震的应用使建筑物在地震时不会倒塌，是减轻地震破坏的一个方法。基础隔震技术的原理是在建筑物基础与上部结构之间，建立一个能使结构在基础地面上滑移的隔震系统。并且在地震作用时，凭借柔性底层变形能吸收大多数的地震所释放的能量，减少地震能量向上部结构转移，使上部结构能够正常工作，进一步降低地震中建筑结构及非结构构件的损坏。
使用ABAQUS软件创建模型，对埋地管道进行隔震和非隔震的分析。分析结果显示，隔震后的加速度反应均为隔震前的0.495，隔震效果超过了50%，这证明了隔震装置具有出色的隔震性能。隔震技术如今被广泛的应用于实际工程中，并且许多隔震建筑经受了大地震的冲击，没有受损严重，这说明了隔震建筑具有出色的隔震效果。在实际的工程应用中，尤其是在我国，对埋地管道的隔震问题的研究仍然很少，因此有必要进行大量且深入的研究工作。
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5结论与展望
5.1结论
借助ABAQUS软件，对走滑断层作用下埋地管道进行研究，得到埋地输气管道壁厚、管道钢级、管径、管道埋深、管道内压，对埋地输气管道的影响规律。利用正交试验设计通过极差分析法定量评价了各影响因素的显著程度。并设计砂芯橡胶支座拟在地震作用时保证生命线工程的正常运行。主要结论如下：
1.通过增加管道壁厚、减小管道口径、提升管道钢级，不仅能降低管道在断层作用下的应变，同时可以提高管道的极限压应变，增加管道壁厚对埋地管道的力学性能提升显著，22mm厚管道断层临界位移是6mm管道的4.9倍；试管道浅埋、减小管道内压均能减小管道应力值，提高管道在断层作用下的安全性。可见通过断层处的埋地管道应浅埋的同时尽量提高径厚比、使用高钢级管道，降压运行。
2.通过设计5因素4水平正交试验，设计16组试验，跨断层埋地输气管道各影响因素按照显著程度高低排序为壁厚、内压、管径、埋深、钢级。
3.为了减轻管道的破坏，采取加隔震支座的方式，对下埋地管道地隔震与不隔震情况进行了数值模拟与计算分析，得出了使用隔震装置后隔震效果可以达到50%以上。
参考文献（略）