城镇燃气管道地震断裂韧性评价与抗震加固措施优化

中图分类号：TU996 文献标识码：A

引言

随着城镇化进程加快，城镇燃气管道网络覆盖范围持续扩大，但其敷设环境复杂，在地震灾害中面临较高风险。地震作用下，地表产生的水平与竖向位移会对管道施加拉伸、弯曲、剪切等复合荷载，若管道断裂韧性不足，易发生脆性断裂或塑性失效，进而引发燃气泄漏、爆炸等次生灾害，造成人员伤亡与经济损失。当前，传统燃气管道抗震设计多侧重强度验算，对断裂韧性的系统性评价不足，且现有加固措施存在针对性不强、适应性有限等问题。因此，深入研究管道地震断裂韧性的评价方法，优化抗震加固技术，既是应对地震灾害风险的现实需求，也是保障城市生命线工程安全的重要举措。

1 城镇燃气管道地震断裂韧性的核心影响因素

2.1 管道材料特性

材料的力学性能是决定断裂韧性的根本因素。其一，材料韧性指标，如冲击韧性、断裂韧性（KIC），直接反映材料抵抗裂纹扩展的能力，低碳钢、聚乙烯（PE）等韧性材料的断裂韧性显著高于铸铁等脆性材料，在地震荷载下更易通过塑性变形吸收能量，减少断裂风险；其二，材料老化程度，服役时间较长的管道易因腐蚀、疲劳产生微裂纹，导致材料韧性下降，在地震作用下微裂纹易快速扩展，引发断裂；其三，材料均匀性，若管道生产过程中存在夹杂物、焊缝缺陷，会形成局部韧性薄弱区，成为地震荷载下的断裂起始点。

2.2 管道结构参数

一是管径与壁厚，大管径管道在地震位移作用下，单位长度承受的弯矩与剪力更大，若壁厚不足，易因应力集中导致断裂；二是管道连接方式，刚性连接的管道变形适应性差，地震位移易在连接处产生应力集中，而柔性连接可通过一定变形释放应力，提升整体断裂韧性；三是管道敷设形式，架空管道直接暴露于地震振动中，易受惯性力影响产生较大变形，而埋地管道受土壤约束，变形程度虽低于架空管道，但土壤的不均匀沉降会对管道形成局部挤压，增加断裂风险。

2.3 敷设环境条件

管道周边的地质与土壤条件会影响地震荷载的传递效率与管道的约束状态。一方面，土壤特性，软土地层在地震中易发生液化、沉降，导致管道失去稳定支撑，承受额外的拉伸与弯曲荷载，而硬质地层对管道的约束较强，虽可减少管道位移，但会增加局部应力；另一方面，周边障碍物，管道穿越建筑物基础、地下管线等障碍物时，地震位移易受障碍物阻挡，形成卡阻效应，导致管道局部应力超过韧性极限，引发断裂；此外，覆土厚度，覆土过薄会降低土壤对管道的约束与缓冲作用，管道易受地震振动直接影响，覆土过厚则会增加管道自重荷载，在地震位移中加剧应力累积。

2.4 地震作用特性

地震荷载的强度与形式直接决定管道承受的外力大小。一是地震动参数，如峰值加速度、地震动持时，峰值加速度越大，管道承受的惯性力与地层作用力越强，断裂风险越高；地震动持时越长，管道易因疲劳效应导致韧性耗竭，增加断裂概率；二是地震破坏类型，断层错动引发的地层大位移会对管道施加剧烈拉伸或剪切荷载，易导致管道直接断裂，而地震波传播引发的振动荷载则易使管道产生反复变形，通过疲劳损伤降低断裂韧性。

3 城镇燃气管道抗震加固措施的现状与优化路径

3.1 现有加固措施的局限性

当前常用的抗震加固措施主要包括三类，但均存在明显不足：一是管道材料升级，如将铸铁管更换为PE 管或高强度钢管，虽能提升材料韧性，但成本高、施工周期长，难以在老旧管网中大规模应用；二是敷设结构优化，如采用波纹管补偿器吸收位移、设置混凝土支墩固定管道，补偿器的位移补偿量有限，支墩在强震下易因土壤液化失去作用；三是周边环境改良，如对软土地层采用注浆加固，虽能减少地层液化风险，但对已敷设管道的周边环境改良难度大，且适应性受地质条件限制。

3.2 抗震加固措施优化方向

3.2.1 靶向性加固

根据管道断裂韧性评价等级与薄弱环节，制定差异化加固方案。对材料韧性不足的管道，采用局部材料补强技术，如在管道焊缝、腐蚀段外缠绕碳纤维复合材料，提升局部断裂韧性，避免整体更换的高成本；对“结构适应性差”的刚性连接管道，更换为新型柔性接头，增加接头的位移补偿量，减少应力集中；对环境约束不利”的管道，采用土壤-管道协同加固技术，在管道周边敷设土工格栅，增强土壤对管道的约束与缓冲能力，减少地层液化对管道的影响。

3.2.2 技术创新

一是智能监测-加固一体化技术，在加固装置中集成光纤传感器、应变计，实时监测管道在地震中的应力与变形状态，当监测到应力接近韧性极限时，通过电动执行机构调整加固装置，主动释放应力，避免断裂；二是模块化加固组件，设计可快速拼装的加固单元，针对不同管径、敷设形式的管道灵活适配，缩短施工时间，降低对管网正常运行的影响；三是新型复合材料应用，采用超高分子量聚乙烯、玻璃纤维增强塑料等轻质、高韧性材料制作加固构件，既提升加固效果，又减少对管道的额外荷载。

3.2.3 协同防护

抗震加固需突破单一技术层面，形成多维度协同防护。在管道系统层面，优化管网布局，避开断层、液化地层等地震高风险区，在关键节点设置抗震冗余结构，确保局部断裂后不影响整体供气；在环境防护层面，对管道周边一定范围内的土壤进行预处理，提升地层稳定性，同时在管道上方设置警示标识，避免第三方施工对管道的意外损伤，减少地震前的韧性损耗；在运维管理层面，建立基于断裂韧性评价的定期检测机制，对服役超过15 年的管道每3 年开展一次韧性评估，及时发现薄弱环节并更新加固措施，确保管道全生命周期内的地震抗性。

3 结束语

城镇燃气管道地震断裂韧性评价与抗震加固措施优化是保障城市生命线安全的关键课题，需从影响因素、评价方法、技术优化三个维度构建系统化解决方案。管道地震断裂韧性受材料特性、结构参数、敷设环境、地震作用四类因素影响，需针对性识别薄弱环节，为评价与加固提供依据，构建三级指标与分层评分的断裂韧性评价体系，结合定性与定量方法，可实现对管道抗断裂能力的科学评估，明确加固优先级，进一步提升燃气管道基础设施的地震抗性，为城市安全运行提供更坚实的保障。

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