跨活断层地面引水钢管振动模型与管-水耦联机制研究

跨流域调水是解决地区性水资源短缺的有效途径之一，而调水工程的管道安全问题至关重要。调水工程通常需要穿越水资源丰富的西南地区，大型活动断裂是工程常遇到的地质难题，也是管道安全的隐患。一般调水工程输水管道管径大，管壁薄，管内水体质量巨大，水体以及管-水相互作用的模拟是准确评价结构抗震安全性的重要前提之一。本项目在认真总结与归纳现有文献资料的基础上，围绕着钢管和水体间的动力相互作用展开研究，主要内容包括：（1）考虑管-水相互作用的振动模型；（2）管-水耦联振动机制；（3）地震作用下动水压力。 在考虑管-水相互作用的振动模型研究中，主要围绕着水体的模拟方法，静水压力的影响等展开。根据数值分析的结果，并与模型试验结果比对，发现水体质量对薄壁管道的振动频率影响十分明显，在简化计算时采用附加质量模型是可行的；如果考虑流固耦合模态，采用声流体单元进行直接耦合分析，结合预应力方法，能同时考虑水体质量和压力的影响，并且计算简单，避免了复杂流体计算，是可以优先考虑的方法，在工程领域具有推广价值。 在管-水耦联机制的研究中，主要围绕着水体压力、流速、管道壁厚、管径等因素对管道自振特性的影响展开。研究表明管-水耦合振动其关键在于管壁的变形，变形的主要影响因素是静水压力和钢管的刚度，水体流速的影响可以忽略；静水压力使管道径向膨胀影响周向模态，并产生应力刚化效应增加结构刚度；管道本身径向刚度较大，以梁式振动为主时，管-水耦合作用可以忽略，否则需考虑管-水耦合作用。该结论为管-液系统在振动研究中是否考虑流固耦合作用提供参考。 地震作用下动水压力的研究中，主要围绕简谐激励下动水压力分布规律、地震作用下不同管道结构动水压力及结构响应展开。研究表明动水压力产生的机制在于水体受到管道的限制而随管道运动，以及管壁发生变形产生的局部相对运动；两种运动均产生动水压力，前者的频率与激振频率相同，数值与管径成正比，后者与管道的自振频率相关，数值也与管径相关；管道内动水压力的数值与水电站压力管道承受的静水压力相比较小，对结构影响有限，简化计算时可以忽略或采用附加质量法近似考虑。该结论为水电工程引水系统抗震分析中考虑流固耦合作用提供了一个可以推广的解决方案。

跨活断层是大型引调水工程常见的地质难题，约束小、柔性大、管内水体质量大是跨活断层引水钢管的突出特点，为管道抗震安全带来隐患。本项目拟围绕着地震作用下跨断层钢管和水体间的相互作用机理展开研究：理论分析薄壁管壳的变形机制，结合模型试验、现场测试和数值模拟方法，分析壳式变形和管内有压水体对管道振动特性影响，建立管体（管道-水体）振动模型；引入任意拉格朗日-欧拉（ALE）法描述管道和水体的牵连运动及相对运动，将动水压力分解为对流压力、刚性脉动压力和柔性脉动压力，建立地震激励下管-水动力耦合理论模型；采用有限单元法模拟管道和水体的地震响应，综合分析管道的振动变形特征，建立地震动水压力的数学模型，研究地震激励下管-水耦联机制。研究成果可为跨活断层引水钢管的抗震问题提供理论和技术支撑。

江苏省地震工程研究院 活断层中心主要职责：

负责城市活动断层探测及地震危险性评价

负责CAD技术、GIS信息技术的研究、开发与应用。

负责工程及设备的隔震、减震技术的研究、推广与应用。

负责水域地球物理勘探

该书是中国全面开展“城市活断层探测”试点项目的技术方法和理论总结，融合了城市活断层探测与地震危险性评价技术成果的前沿知识，具有创新性和系统性。内容包括城市活断层试验探测，活断层定年和定位、深部构造环境探测、地震危险性评价和危害性预测等，是全面反映我国城市活断层探测理论、方法和应用的实例。 本书可供城市规划部门、建设部门、地质与地球物理勘探人员、工程勘查人员和有关院校的本科生和研究生参考。

《长春市活断层探测与地震危险性评价》内容简介：地震是一种突发性的自然灾害，它会给人类社会带来巨大的灾难。地震活断层与中、强地震活动具有密切关系。城市地震灾害，主要是由位于城市之下的活断层，突发性快速错动导致发生直下型地震引起的。大量的震例表明，地震活断层不仅是产生地震的根源，而且也是使地震破坏加重的主要原因。