基于粘弹性人工边界和接触面对法的地下管道地震动力学响应

作者：战朋禹 土木工程系；刘巍 土木工程系；汪子涵 土木工程系

指导老师：林家瑞 土木工程系

关键词：粘弹性人工边界；接触面对法；有限元分析

摘要

地下管道地震响应的有限元模拟精度受到管道与土层动接触面的选择和土层人工边界的选择影响，对于动接触面我们从理论推导和有限元模拟出发得出接触面对法对于处理地震中非连续问题具有更好的精度；对于边界我们采用粘弹性人工边界，但是在实验模拟和理论上我们发现传统粘弹性边界的参数选择将导致管道受损低估，通过有限元模拟成功确定保证精度且安全的参数选择。在边界与动接触问题解决基础上完成管道易损性和接触分离问题的分析。

边界等效

对于土体边界采用粘弹性人工边界较为常见，但是在研究中对粘弹性边界推导分析发现存在非保守风险，更改参数，并结合有限元实验验证参数修改的保守性。对于土体与管道的动接触面，考虑到接触面在地震荷载下存在断裂、非连续性，并结合有限元分析比对接触面对法、整体法、拉格朗日法等，最终选定接触面对法。

1.为参数修正前后与理论值比较图；2.为粘弹性边界下OPTUMG2建模；3.为ABAQUS建模以比较接触面对法与整体法的差异性。

机理分析

在六组地震加速度作用下对于L型管壁的应力分布研究，发现L型管道中，随着地震加速度上升，管道的最易损点从竖向管与水平管交点处转移到了水平管与水平管的交点处；针对此现象对位移分布、时程应力变化等进行切片分析和横向、纵向比对，得出关于L型管道地震破坏模式相关的三条结论如下：

4.管壁179个观察点的时程应力图；5.不同地震加速度下而得应力分布；6.应力分布云图

• L型管道的节点破坏模式，A节点率先达到峰值并引起土体破坏导致分离，引发A处卸荷，卸荷部分有B节点承担，导致B节点内力迅速上升，达到破坏临界，引发接触面分离，最终节点力向管道中部传递，引起中部管道内力上升。
• L型管道水平段的内力时程分布为两种类型，A型为在地震荷载施加后约0.60-1.00s达到峰值后，迅速衰减；而B型为在0.6-0.8s间迎来小峰值后有较小衰减，之后迎来应力快速增长，最终在1s时达到峰值。
• 随着地震加速度上升，由于应力时程分布的差异性B节点的内力呈现追赶A节点趋势，并在a>7.71m/s^2时，水平向管道交叉节点危险与水平-竖直管道交叉节点；从时程、非连续角度得出原因在于A节点率先到峰值，因土体破坏引发卸荷，导致荷载转移至B节点。