地震荷载下管道抗震性能仿真与加固技术

管道结构这一细长柔性体系具有复杂的动力学特性和地震动输入耦合作用机理，常规的实验研究很难完全复现多维地震动激励的实际反应。在计算力学和数值模拟技术不断发展的背景下，以有限元，离散元为基础建立精细化管道-土相互作用模型可以打破试验条件的约束，动态地分析地震荷载在时间和空间上的演变过程。但已有的仿真研究对于考虑土介质的非线性本构关系和管道复杂的连接形式还很欠缺。与此同时，现有抗震加固技术大多集中在单一结构形式上，缺少对不同地质条件和管道类型进行系统性优化的方案，因此迫切需要进行多尺度和多因素的协同研究。

一、地震荷载下管道抗震性能仿真

（一）仿真技术原理

管道承受地震荷载时抗震性能的模拟是以有限元理论为基础的。有限元方法把管道结构离散成许多小单元，并通过对各单元受地震波激励时力学响应的分析模拟管道系统整体行为[1]。地震波作为一种动态激励，它的加速度，速度以及位移对管道的受力有着直接的影响。通常当地震波卓越周期接近管道自振周期时会触发共振使管道受力剧烈增加。地震波的各种类型，例如正弦波、EL-Centro 波和 Taft 波，对管道产生的影响效果各不相同。以正弦波为例，它具有很强的规律性，多被用来研究管道对某一频率的反应；但实际地震记录中的 EL-Centro 波与 Taft 波能够更加逼真地模拟管道在复杂地震环境中的受力。

（二）仿真流程与参数设置

仿真流程主要包括模型建立、材料属性定义、边界条件设定、荷载施加和结果分析五个步骤。模型建立中需要依据管道实际大小，形状以及连接方式等因素准确建模。在考虑材料属性时，需要重视管道的弹性模量、泊松比和密度等关键参数。例如，钢制管道的弹性模量通常设定为 2.06×1 05MPa ，而泊松比则是 0.3。边界条件的设置需要模拟管道的真实约束条件，例如固定端和铰接端。地震荷载施加时，要根据当地地震设防烈度选取合适的地震波参数，如地震加速度峰值，设防烈度为Ⅷ度地区，一般地震加速度峰值取 0.2g （ g 为重力加速度）。

通过仿真分析可得到地震荷载作用下管道应力，应变及位移等分布规律，可为之后加固设计提供数据支撑。如模拟结果可能表明管道弯头部位存在明显应力集中现象，需有针对性地加强处理。

二、管道抗震加固技术

（一）加固技术类型

常用管道抗震加固技术有刚性加固与柔性加固两种。刚性加固主要是提高管道刚度以改善管道抗震性能，例如使用混凝土包封和添加刚性支撑。混凝土包封可以有效地约束管道变形和增强管道整体稳定性。实行混凝土包封时需根据管道管径大小及受力情况决定混凝土厚度及强度等级，通常厚度不少于 100mm ，强度等级不少于 C20。刚性支撑能降低管道振动幅度，其间距及形式需依据管道跨度及荷载情况而定，常用支撑形式包括支架支撑及吊架支撑[2]。

柔性加固主要是为提高管道的柔软性，确保管道在地震影响下能更好地适应变形，例如采用橡胶隔震支座、柔性接头等。橡胶隔震支座能够隔绝地震能量传递，它的作用机理是通过橡胶材料弹性变形吸收并耗散地震能量。选择橡胶隔震支座需综合考虑管道重量，地震荷载的大小和容许位移量。柔性接头可以使管道产生一定幅度的位移，从而避免刚性连接造成的损伤。柔性接头种类很多，例如橡胶软接头，金属波纹补偿器等等，不同种类的柔性接头所适用的管道介质及工作压力也各不相同。

（二）加固效果对比

不同加固技术对改善管道抗震性能的作用是不一样的。以 DN300 的钢制管道为例，在相同地震荷载（加速度峰值 0.2g ）作用下，未加固管道的最大应力达到 200MPa ，超过钢材的屈服强度，可能发生破坏；在使用混凝土进行包封加固之后，最大的应力下降到 120MPa，降幅高达 40% ；采用橡胶隔震支座进行加固后，管道的位移反应减少 30% ，这大大降低因位移过大而导致的管道连接部分的损坏。

进一步比较不同加固方式对不同地震波的影响，以 Taft 波为地震激励时未加固管道应变最大值为 0.005，但在混凝土包封加固时，最大应变减小到 0.003，在橡胶隔震支座加固时，则达到 0.0035 。在长期性能方面，混凝土包封加固能有效地改善管道耐久性和降低地震作用下管道结构疲劳损伤；尽管橡胶隔震支座在经历多次地震后仍能维持良好的隔震性能，但仍需定期对橡胶材料的老化状况进行检查。

从表 2 数据可以看出，刚性加固与柔性加固对管道抗震性能均有显著增强作用，实际工程可以根据管道使用需求，场地条件综合选用适当加固技术，或综合运用各种加固技术来取得较好的抗震效果。如对跨越地震断裂带的管线，可同时使用混凝土包封与橡胶隔震支座相结合的方法，不仅增加管线刚度，而且增加管线柔韧性，从而有效地抵抗地震灾害[3]。

三、结语

在城市基础设施建设飞速发展的今天，管道系统在能源输送和给排水方面的影响越来越关键，它在承受地震荷载时的安全问题关系到城市生命线的稳定性。基于有限元仿真和加固技术的研究得知，管道抗震性能的改善需要打破单一的研究方式，建立多尺度多因素的协同体系。今后，要进一步加深对土－管作用机理的探究，改进仿真模型并结合新材料和新技术对管道抗震设计进行智能化和精准化设计，为确保城市基础设施的安全运营提供坚实的理论和技术支撑。

参考文献

[1]贺睿,吴健.含超标缺陷的在用压力管道安全评定[J].模具制造,2025,2 5(05):252-254.

[2]刘文涛,吕超,赵凤轩.地震作用下跨断层雨污管道纵向变形规律研究[J].陕西水利,2025,(02):4-7.

[3]申晋益.高层和超高层建筑燃气管道系统稳管体系[C]//《煤气与热力》杂志社有限公司.中国燃气运营与安全研讨会（第十三届）论文集（上册）.成都燃气集团股份有限公司；,2024:587-592.