摘　要：针对跨断层埋地热力管道，建立模型，采用ADINA有限元平台对埋地热力管道的应力、应变进行数值模拟，对提高跨断层埋地热力管道安全性的措施进行了探讨。

关键词：埋地热力管道；  断层；  应力；  应变；  有限元模拟

Numerical Simulation of Stress and Strain of Buried Heating Pipeline across Fault

Abstract：The model for buried heating pipeline across the fault is built．The numerical simulation of the stress and strain of buried heating pipeline is performed by ADINA finite element platform．The measures for increasing the safety of buried heating pipeline across the fault are discussed．

Keywords：buried heating pipeline；fault；stress；strain；finite element simulation

埋地热力管道是城市基础设施的重要组成部分，在地震等自然灾害荷载下的破坏评价，是防震减灾及救援的基础^[1]。本文采用ADINA有限元平台，对跨断层埋地热力管道应力与应变数值模拟，并对提高跨断层埋地热力管道安全性的措施进行探讨。

1　模型建立

选取土体模型的宽×长×深为7m×10m×8m，设定土体为双层结构(上层为土壤，下层为岩石)，且存在断层，管道跨越断层敷设，断层与管道夹角为45°。管道采用双线性塑性材料模型，施加在模型上荷载分别考虑静荷载、动荷载，静荷载为重力荷载，动荷载包括位移荷载、地震力。重力荷载为整个模型的重力，方向为垂直向下；位移荷载取5×10⁶N，方向为沿断层走向；地震力取200N，方向为沿断层走向。管道壁厚为12mm，外直径为400mm，管中心埋深为2m。断层间距为0.2m，错动距离为0.5m，管体与岩土的摩擦系数取0.4。

设定单元类型：定义管道为壳单元：shell element，岩土定义为三维实体单元：3D solid element，断层处不设单元。设定材料属性：a．钢材弹性模量为2.07×10⁵MPa，泊松比为0.29，密度为7800kg／m³。b．岩土分层情况为：上层为砂黏土，下层为石灰岩，将岩土的特性参数输入ADINA，管道位于砂黏土层。单元类型、材料属性完成设定后，采用ADINA-M选单下的Parasolid建立几何模型，用切片Sheet和体修改器Body Modifier对几何体进行修饰。切片Sheet用于切出断层，体修改器Body Moditier用于将断层与岩土分开。最后通过ADINA中的布尔操作(Boolean Operator)实现管道与岩土、断层之间的融合。

断层是土体之发生相对位移的破裂面，断盘指断层两侧的岩土，位于断层之上的称为上盘，断层之下的称为下盘。将断层运动考虑为其中一盘相对静止，另一盘相对该盘运动，将约束加在相对不动的一盘上。设定上盘为运动盘，下盘为相对静止盘。重力荷载直接加到整个模型上，方向垂直向下；位移荷载加到上盘，方向沿断层倾角斜向下；地震力集中作用到上盘。模型网格划分结果见图1，管道选用8节点网格，土体选用4节点网格。

热力耦合是指温度场与结构之间的相互影响和相互作用。基于埋地热力管道自身的特殊性，综合考虑管土相互作用以及热力耦合作用，使两种作用融合到一起，并考虑管材、地质条件以及周围环境的影响。应用ADINA-Structures建立结构模型，应用ADINA-Thermal建立热力模型。运用TMC热力耦合分析求解器进行热力耦合计算，对埋地热力管道变形结果进行分析，调整参数，对不同参数模拟结果进行分析。

流固耦合考虑的是管道与流体之间的耦合，ADINA需要分别建立流体模型、管道模型，然后选定流固耦合相互作用(Fluid Structure Interaction)选项来考虑流固耦合。

2　模拟结果及分析

模拟结果分析中的名称及指代含义见表1。埋地管道内水流速为10m／min。

①管道与土体摩擦力

模型只受重力荷载作用时，无论是否考虑管道与岩土之间的摩擦力，管道轴向应力、轴向应变基本保持不变，考虑管道与岩土之间的摩擦力时管道轴向应力、轴向应变明显下降，这说明管道与岩土之间的摩擦力可减小管道的轴向应力、轴向应变。模型只受地震力作用时，当地震力较小时，管道与土体的摩擦力对管道起控制作用；当地震力突破摩擦力控制时，摩擦力可削弱管道的轴向应力、轴向应变。

②管道埋深

其他条件不变，分别对管中心埋深分别为l、2、3、4m时的剪应力进行模拟。由模拟结果可知，随着管中心埋深增大，管道的剪应力基本呈增长趋势。这说明管道埋深越大，管道在跨越断层时越容易被破坏，因此管道在穿越断层时应尽量浅埋。

③热力耦合作用下的管道破坏分析

热力耦合模型将管内介质视为热源，热源温度为120℃。热力耦合模型分别模拟静荷载(重力荷载)、动荷载(位移荷载、地震力)下管道的轴向应力、应变。当只考虑静荷载时，热力耦合(即考虑温度影响)作用对管道的轴向应力、应变影响较大，与不考虑温度相比，轴向应力、应变有大幅提高。这说明管道轴向破坏应变主要是由材料受热膨胀引起的。当只考虑动荷载时，热力耦合作用下管道轴向应力增长比环向应力增长快。

④流固耦合作用下的管道破坏分析

其他条件不变，水流速分别取10、30、50、100m／min。当只存在重力荷载时，随着流速增大，管道轴向应力、环向应力、轴向应变、环向应变均呈增大趋势。因此，流速越高对管道越不利。

3　提高安全性的措施

①管土之间的摩擦力在抗管道破坏中起主要作用，可以通过提高岩土与管道间的摩擦力来提高管道抗破坏的能力。

②考虑温度时，对管道的轴向应力影响较大，因此可以通过布置管道轴向补偿器来减少温度引起的轴向破坏。

③管道应力水平与水流速基本成正相关关系，因此应合理控制管内水流速。

参考文献：

[1]段洁仪，刘艽，陆景慧．供热管网地震破坏等级划分探讨[J]．煤气与热力，2013，33(1)：A18-A20．

本文作者：张卫忠

作者单位：唐山市热力总公司