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人工爆破地震作用下输气管道动力响应分析
燃气安全网 2014-09-26 阅读:1796

近年来,管道在第三方作用下所发生的泄漏、爆炸、火灾等事故,从一定程度上影响了石油工业的推进与发展。广义的“第三方作用”是指由于非管道员工的行为而造成的所有管道意外伤害,其作用方包括了人为第三方作用因素,也包含了自然作用,如土壤移动(滑坡、泥石流、塌陷和洪水),以及地表荷载(爆破施工、违章建筑占压管道和地面活荷载)引起的管道变形。人工爆破也已经严重威胁到管道安全。因此,有必要对于此类问题在理论上进行系统分析,为管道安全运行提供保障[1-2]。

1 爆破地震实测特性以及人工模拟

1.1 爆破地震实测特性分析

通过分析爆破地震对地下管道结构的破坏响应,通常认为爆破地震运动加速度是管道响应的主要激励源之一,将强震加速度记录作为结构的动力输入,采用动力分析方法对管道进行位移、应变和应力分析,从而确定管道的易损概率。然而,片面采用其他地方记录的强震信号来作为动力参数输入不能完全反映实际管道场地特征,因此,对于人工爆破地震宜采用预定条件下人工模拟爆破地震波信号对管道结构进行动力反应分析。对现场实际监测数据进行分析发现:管道监测点的垂直方向速度和加速度值均大于径向和切向两个方向的速度值和加速度值;爆破地震水平切向的持续时间相对于垂直方向的持续时间较长,而水平径向上的持续时间则不具有规律性;垂直方向的主频率值相对于水平径向和水平切向的主频率值偏大,同时三向振动主频率主要集中在10~150 Hz,如果埋地输气管道的固有频率与爆破地震主频率接近时管道受爆破地震破坏的可能性较大;炸药量增加会使得地震波主频率降低,对埋地输气管道的破坏性越大[3-6]。

1.2 爆破地震波函数构造

人工地震波的模拟最早出现在天然地震工程分析中,随着人们关于爆破地震对结构动力响应分析的深入研究,这种方法也逐步运用到爆破地震分析。人工合成爆破地震波通常包括2种方法:模拟目标谱的人工波和模拟震源、震中距和场地参数的人工波[7-8]。

构造单项爆破地震波,必须已知波的3个要素和测点爆心距。爆破地震波的3个要素包括波的主频率和频率谱构成、波的峰值大小即振速和加速度峰值、波的持续时间。波的频率谱构成常采用2种谱来表示:富氏谱和反应谱。在工程爆破地震分析中多采用反应谱或者建立富氏谱与反应谱的对应关系,计算出相应的反应谱作为目标谱,再依据振幅的峰值与波的持续时间,以及包罗函数来建立该反应谱的爆破地震波。假设地震波由一系列的三角波叠加而成,用Sv(t)表示组成的平稳波,则:

式中Ai为对应某频率为ωi,的振幅值;Ψi为初相位角,考虑到三角波具有随机性,初相位角取[0,2π]内的随机均匀数;n为该波的频带范同内的不同振幅与频率波的个数;t为时间值。

将上述平稳波Sv (t)非平稳化,即得到要构造的爆破地震波Wv (t),表示为:

式中¢(t)的为外包络线形状函数,可以用下述公式确定。

式中的T1和T2可以按照爆距来确定。

式中f0为爆破地震波的主频率;Td为爆破地震波的持续时间。

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