摘要：鋪設在地震活躍區域的海底管道可能在地震荷載作用下發生破壞。利用水下振動臺研究了海底懸跨管線在地震作用下的動力反應。試驗中考慮了地震波輸入方向、管道端部支撐情況、懸跨高度、懸跨長度和管內是否有水等因素。完成了這些因素組合的120組試驗，得到海底懸跨管道動力響應特性。試驗結果表明水中管道與陸地懸空管道的動力反應存在明顯差別；懸跨長度是控制管道反應的關鍵，水平地震輸入對管道反應起控制作用，海底懸跨管道在地震作用下的反應與受波和流作用下的反應也存在差別。

關鍵詞：海底懸跨管道 水下振動臺 模型試驗 地震反應

鋪設在海底面上的管線由于海底面高低不平，懸跨線的出現不可避免；海流的長期沖刷、淘蝕也會在海底泥沙和管線之間形成孔洞。因此當水流橫向流過管線時，就會出現渦流振動和波激振動從而導致管道疲勞破壞的可能性。渤海是地震活動區，根據評估該地區地面水平地震加速度在0.2～0.25g。地震時，由于懸跨管線海底支承處的地震位移和加速度及地震引起的動水壓力，會對管線安全造成威脅。在渤海，地震與工作載荷組合成為管道強度控制條件[1]。相當多的文獻論述了埋設在海床面下的管道在地震荷載作用下的反應[2-5]。而最新的挪威船級社規范DNV1997有關懸跨管道部分也只規定了因波激振動和渦流振動導致管道疲勞破壞的設計方法和準則[6]。筆者利用新近改造完成的MTS水下振動臺，考慮多種工況完成120組地震荷載下海底懸跨管道模型試驗。根據試驗數據，分析了海底懸跨管道在地震時的反應特點，研究了影響管道動力反應的主要因素。 1 試驗設備 1.1 水下振動臺介紹 大連理工大學海岸和近海工程國家重點試驗室在從美國MTS公司引進的一維水平單向大型電-液伺服控制地震模擬系統基礎上，將原振動臺改為水平與垂直兩向激振的水下振動臺。圖1為水下振動臺平面圖。在水槽中間為振動臺臺面；沿振動臺水平振動方向在水槽兩邊設置消能網，消除波浪的反射作用。水槽內最大水深1.0m。 1.2 管道模型介紹 模型材料采用PVC管。模型外徑D=100m，壁厚tp=2.8mm，模型材料動彈性模量Em=5000MPa，密度ρ=1.72×103kg/m3。模型依據彈性相似律設計。同時考慮到嚴格保持幾何比尺會使模型管道截面尺寸太小，不利于傳感器布置和保證測量精度，故截面采用剛度相似。實驗基本比尺如 下：幾何比尺25.0；慣性半徑比尺6.575；彈性模量比尺42.0；密度比尺1.0。其它比尺 根據基本比尺和相似關系導出。水下振動臺及海底懸跨管線模型見圖2。 為了保證原型和模型中液體質量密度的比值與模型和原型管道材料質量密度比值相等，要對模型管道進行配重。采用鉛環對模型管道進行配重，配重圖見圖3。

圖1 水下振動臺平面圖(單位：mm)

圖2 水下振動臺及海底懸跨管線模型

圖3 配重圖及加速度、應變傳感器布置和編號(單位：mm)

1.3 量測設備和內容 為了解管道的動力特性，試驗過程中量測了管道應變和加速度。加速度傳感器和應變傳感器布置及編號見圖3。 1.4 臺面輸入地震波 試驗中動力輸入為水平方向和垂直方向Elcentro地震波。 1.5 試驗工況 影響海底管道動力反應的因素非常復雜。為了較全面的研究海底懸跨管道在動力荷載下的響應，為將來理論建模和數值模擬提供依據和驗證樣本，本試驗考慮了6個方面影響因素(見表1)，分別組合不同影響因素的不同試驗工況，共進行了120組試驗。在每組試驗中，均測量了管道各測點加速度時程和應變時程。以這些測試結果為基礎，分析各種因素對海底懸跨管道動力反應的影響。

表1 模型試驗考慮因素及工況

編號

影響因素

試驗工況

1

懸跨長度/m

2.8，2.4，2.0

2

激勵方向

水平激勵，垂直激勵

3

支撐情況

簡支支撐，固端支撐

4

懸空高度*/cm

5.0，7.5，10.0

5

管外狀態

管外有水，管外無水

6

管內狀態

管內有水，管內無水

*懸空高度指管道跨中底部與海床面(振動臺面)距離。

2 模型試驗結果分析 試驗過程中，分別考慮了懸跨長度的影響、動力輸入方向的影響、管道支撐情況的影響、管道外部有水和無水的影響、管道內部有水和無水的影響、管道懸跨高度的影響。 2.1 陸地管道與水中管道結果比較 2.1.1 加速度的變化 在水平輸入地震波、跨長2.8m、簡支約束下，圖4為陸地管道測點(測點號見圖3)加速度時程，圖5為水中管道管內無水情況下測點加速度時程。兩種情況下地震輸入一致，但除了相同測點反應幅值不同外，反應波形也不相同。水中管道因為水的濾波作用，反應波形中高頻分量被過濾。越靠近管道中部管道反應越大，管-水間相互作用也越大，濾波效果越明顯。

圖4 陸地管道各測點加速度時程

圖5 水中管道各測點加速度時程

2.1.2 應變的變化 圖6為跨長2.8m、簡支約束、管內無水下陸地管道和水中管道最大應變(εmax)沿管軸方向(x/L0，x為應變傳感器位置，L0為管道總長度)的變化。水平激勵下陸地懸空管道應變要小于水中懸空管道應變；而在垂直激勵下陸地懸空管道應變要大于水中懸空管道應變。

圖6 陸地管道和水中管道最大應變沿管軸方向的變化

圖7 固端和簡支約束管道最大應變沿管軸方向的變化

陸地懸空管道在輸入水平地震波激勵作用下水平方向應變與在輸入垂直地震波激勵作用下垂直方向應變基本相等。說明陸地懸空管道應變反應與地震波輸入方向無關。 水中懸空管道在水平地震波激勵作用下水平方向應變要遠大于在垂直地震波激勵作用下垂直方向應變，相差將近8倍。說明水中懸空管道加速度反應與地震波輸入方向有關。 由于管道周圍水體的存在，導致管道質量因動水附加質量而增加，管道所受地震力也隨之增加，引起水中管道反應大于陸地管道反應。垂直方向動力輸入時，因為管道下部受到臺面(海床)的約束，垂直向流體運動受到制約，管道-流體相互作用減小，所以垂直向反應要小于水平反應。 2.2 支撐的影響 圖7為跨長2.8m、管內有水情況下固端和簡支約束管道最大應變(εmax)沿管軸方向(x/L0)的變化。從圖中可以看出，對于簡支支撐的管道，管道中間反應最大，然后向兩端逐漸減小；對于固端支撐的管道，雖然也是管道中間反應最大，向兩端逐漸減小，但距離端部1/4處達到最小，然后又逐漸增大。試驗測試結果的分布趨勢與梁在簡支和固端約束下理論分析結果的趨勢相同。無論是水平輸入還是垂直輸入，簡支約束的應變反應大約是固端約束的應變反應的3倍。實際海底管道端部支撐介于固端與簡支之間。如何合理確定管道端部約束情況對管道動力反應結果有很大影響。如果人為的每隔一段對管道施加一定的約束，可以很好的控制管道的反應。 2.3 懸空高度的影響 圖8為跨長2.8m、簡支約束、管內有水情況下管道上各測點(測點編號見圖3)最大應變(εmax)隨懸空高度(e/D，e為懸跨高度，D為管道直徑)的變化。輸入地震波，應變隨懸高的增加而增加，與按照傳統波浪理論分析結果不一致[7]。地震波與波浪相比，具有持時短、頻率高、強度大的特點，短時間內使管道周圍流體產生往復劇烈運動。從試驗結果看，輸入地震波時管-水間相互作用比較復雜，建立計算模型時應考慮多種影響因素。

圖8 管道上各測點最大應變隨懸跨高度的變化

2.4 懸跨長度的影響 圖9為簡支約束、管內有水情況下管道最大應變(εmax)隨跨長(L0/D)的變化。管道應變隨懸跨長度的增加而增加。管跨越長反應增加得越明顯。與控制海底懸跨管道因波和流導致疲勞破壞一樣，控制管跨長度是控制海底懸跨管道動力反應的決定因素。

圖9 管道最大應變隨跨長的變化

圖10 管道內有水和無水情況最大應變沿管軸方向的變化

2.5 管內有水和管內無水的比較 圖10為跨長2.8m、簡支約束情況下管道內有水和無水情況最大應變(εmax)沿管軸方向(x/L0)的變化。管內無水時，管道的應變要小于管內有水時的應變。特別是在垂直波輸入下，管內無水時的應變僅為管內有水應變的1/5。管道內有水時管道受到的地震力要大于管道內無水時的情況。因此，管道內有水時管道動力反應要大于管道內無水時的情況。

參 考 文 獻： [1] 王金英，趙冬巖.渤海海底管道工程的現狀和問題 [J].中國海上油氣(工程)，1992，4(1)：1-6. [2] Wong K C， Shan A H， Datta T K. Three dimensional motion of buried pipeline [J]. J. Eng. Mech. Div. ASCE， 1986，112:1319-1345. [3] Hindy A， Novak M. Pipeline response to random ground motion [J]. J. Eng. Mech. Div. ASCE， 1980，106:339-360. [4] Datta T K， Mashaly E A. Pipeline response to random ground motion by discrete model [J]. Earthquake Engineering and Structural Dynamics，1986，14:559-572. [5] Powell H G. Seismic response analysis of above ground pipelines [J]. Earthquake Engineering and Structural Dynamics， 1978，6:157-165. [6] Fyrileiv O， Mork K， et al. Assessment of free spanning pipelines using the DNV guideline [A]. Proceedings of the Eighth International Offshore and Polar Engineering Conference [C]. 1998，100-106. [7] Tlkuo Y， Hath J H， Smith C E. Wave forces on cylinders near the ocean bot ton [J]. J. Waterways Harbour Div. ASCE， 1974，100:34-50.