摘要
地震对城市地面结构造成危害的同时，对埋地结构如管道系统也造成了巨大损坏。供水、石油和天然气管线，它们携带维持生命至关重要的物质，通常被称为“生命线”。地下管网的重要特征是跨越不同的地质单元，其更容易受到地质灾害作用的威胁。历史震害表明，管网与土体的相对运动通常较小，地面的瞬态和永久变形都会影响整个管网的运行，如何评价这种土体变形对管道的破坏，一直以来都是生命线地震工程研究的热点。已有成果表明，管道破坏直接的原因最有可能是管-土相互作用，而研究这个内容只能基于单根管段，所以如何把这些研究内容应用于管网连通性的计算，即实现“节点-网络-应用”三个维度的分析体系是本文要解决的关键问题。 本文以弯管及管网为研究对象，系统地研究了地震作用下直管、弯头、三通的管-土相互作用规律及响应机理，并探究了管网节点间的相互影响，提出了管段易损性及管网连通性计算方法。本文开展的具体工作如下： 1.埋地弯管及小型缩尺管网振动台试验研究。本试验采用PVC-U管道材料，按照相似比转化，对原型管道进行设计和加工，考虑土体性质以及管道的埋深、管径、弯头角度、弯曲半径和地震波峰值等因素。加载了三种不同卓越频率的地震波，得到了土压力、管道应变、管道加速度和剪切箱位移响应结果。利用弹性地基梁理论，论证了试验结果的正确性。 2.弯管的管-土相互作用模拟及地震响应分析。梳理和总结了学者们对管-土相互作用的研究成果，探究并得出了描述管-土接触最优的理论为ASCE准则所推荐的经验公式。建立了三种数值模拟的接触模型，并与试验结果进行对比分析，总结了最适合描述管-土接触的数值模型，根据此数值接触模型，探究了管道周围土压力、摩擦力、应变和相对位移随深径比变化的函数曲线。根据弯管和三通的振动台试验，研究了弯管在不同埋深、管径、弯角、地震波、峰值作用下土压力，将弯头处的土压力和直管的土压力进行对比，提出了弯头处土压力的拟合公式，并总结出弯管土压力的变化趋势，以及弯头土压力基于直管土压力的影响系数。以相同的方式研究了地震作用下三通弯曲处的土压力分布，提出了弯头处管-土变形传递系数的计算公式，此公式全面地考虑了包括弯头的弯曲角度、埋深、管径、壁厚等因素。以弯头处变形传递系数拟合公式为基础，增加考虑了频率和三通变径的影响，提出了三通弯曲处变形传递系数计算公式。对土压力和变形传递系数都进行了两种数值接触单元的模拟，验证了Goodman接触单元在管-土不脱开情况下对弯头和三通的适用性。 3.地震作用下管网节点间相互影响研究。利用缩尺管网沿地震波振动方向的轴向应变，分析管道的摩擦力、弯曲变形、变形放大系数、管-土相对位移，通过缩尺管网的土压力和加速度，分析管网在振动方向上管道的轴向变形及相对位移。分别对“H”形和“Z”形管道的轴向应变、土压力及加速度测试结果进行分析，揭示了埋地管网节点间相互影响规律，即管网弯头或三通的增多会导致管网节点处变形不协调加剧，使得节点连接处更容易发生破坏。 4.基于Copula函数的串-并联体系管网易损性分析及连通性决策评估研究。基于振动台试验的基础数据计算了管道的变形放大系数，并基于双参数的对数正态分布函数获得了各管段的概率地震需求。建立了小型缩尺管网的理论地震易损性曲线。引入Copula函数技术模拟构件之间的相关性，提出基于串-并联组合体系管网系统地震连通性分析方法。针对实际大型复杂管网的连通性决策评估，基于振动台试验求解了各类型管段和节点初始可靠度，提出了Copula函数作用下管段的可靠度调整规则及基于土压力和变形传递系数的管段可靠度调整策略。基于通用的管网连通性计算方法，推导了考虑弯头、三通等节点的不交最小路递推分解算法，给出了管网的连通可靠性调整策略，为管网连通性的进一步精确计算奠定基础。 5.管网连通性实例计算及决策平台的研发。归一化管网系统数据表格式、空间要素与运行管理数据，开展了供水管网安全运行基础数据库研究以及管网系统连通性决策实现方案研究，并基于此方案对苏州工业园区胜浦分区埋地供水管网系统的连通性进行了较为精确的计算，为管网潜在失效概率较大位置的重点监测提供了依据。开发了以GIS为平台的给水、排水系统地震灾害作用下管网连通性决策及智能监测技术平台。
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