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地下管线中日美三国抗震设计规范的对比与转换

缪惠全

缪惠全. 地下管线中日美三国抗震设计规范的对比与转换[J]. 工程力学, 2022, 39(S): 229-238, 249. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S047
引用本文: 缪惠全. 地下管线中日美三国抗震设计规范的对比与转换[J]. 工程力学, 2022, 39(S): 229-238, 249. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S047
MIAO Hui-quan. COMPARISON AND CONVERSION OF SEISMIC DESIGN CODES FOR UNDERGROUND PIPELINES ADOPTED BY CHINA, JAPAN AND AMERICA[J]. Engineering Mechanics, 2022, 39(S): 229-238, 249. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S047
Citation: MIAO Hui-quan. COMPARISON AND CONVERSION OF SEISMIC DESIGN CODES FOR UNDERGROUND PIPELINES ADOPTED BY CHINA, JAPAN AND AMERICA[J]. Engineering Mechanics, 2022, 39(S): 229-238, 249. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S047

地下管线中日美三国抗震设计规范的对比与转换

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S047
基金项目: 国家自然科学基金青年科学基金项目(52108427);北京市自然科学基金面上项目(8222008);中国博士后科学基金面上项目(2021M690278)
详细信息
    通讯作者:

    缪惠全(1988−),男,山东人,助理研究员,工学博士(后),主要从事生命线工程和韧性城市研究(E-mail: miaohq@126.com)

  • 中图分类号: TU352.1+1;TU990.3

COMPARISON AND CONVERSION OF SEISMIC DESIGN CODES FOR UNDERGROUND PIPELINES ADOPTED BY CHINA, JAPAN AND AMERICA

  • 摘要: 地下管线是城市生命线工程的重要组成部分,承担着城市供水、供气、供热等重要任务,一旦发生地震,对居民的正常生活和城市灾后恢复将产生重要影响。中国、日本、美国三国作为世界抗震强国,其对地下管线的抗震设计各有特色,然而,既有的研究或者重于三国管线抗震设计原理的分析,或者重于三国建筑结构抗震设计的对比,未能对地下管线的抗震设计进行全面的分析和对比。该文针对此问题,对中日美三国地下管线的抗震设计进行了详细地对比研究,并讨论了相互之间如何进行抗震设计参数的转化以实现协调一致。最后,该文用两个算例表明了该文研究的实用性和可行性。
  • 图  1  半无限均质土层地震反应

    Figure  1.  Seismic response of semi-infinite homogeneous soil

    表  1  设计水平地震速度标准值

    Table  1.   Standard value of seismic design velocity in horizontal direction

    地震场地类别标准值/(m/s)
    水准10.15
    水准2I类0.80
    II类0.70
    III类0.60
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    表  2  中国规范向美国规范的转换

    Table  2.   Conversion of Chinese code to American code /g

    APGA7度(0.10 g)7度(0.15 g)8度(0.20 g)8度(0.30 g)9度
    γC2.972.692.251.841.58
    C类Ss0.651.011.131.381.58
    S1 (第一组)0.160.220.250.330.39
    S1 (第二组)0.180.260.300.390.48
    S1 (第三组)0.210.300.350.460.55
    D类Ss0.550.891.041.381.58
    S1 (第一组)0.110.170.200.260.31
    S1 (第二组)0.130.200.230.310.40
    S1 (第三组)0.150.240.280.380.46
    注:APGA为中国规范中所规定地面峰值加速度;C类、D类为中国规范的场地类别;γC为重现期调整系数;SsS1分别为最大考虑地震下美国B类场地地面短周期和1 s周期的谱加速度。
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    表  3  抗震设防目标的对比

    Table  3.   Comparison of design target

    国名目标控制因素
    中国小震不坏、中震可修、大震不倒地面峰值加速度
    日本水准一:限制破坏要求;
    水准二:不倒塌要求
    地面峰值速度
    美国使结构在地震下倒塌风险最小,为具有考虑保护公众健康、安全、财产功能与使用要求的建筑物提供最低设计标准结构峰值加速度
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    表  4  中美抗震规范场地分类

    Table  4.   Site classification of Chinese and American codes

    中国规范转换为美国规范 美国规范转换为中国规范
    GB 50011−2010 ASCE/SEI 7−10 ASCE/SEI 7−10 GB 50011−2010
    I I0 vs20≥1500 m/s, A A vs30≥760 m/s, I0
    I1 760 m/s≤vs20<1500 m/s, B B 510 m/s≤vs30<760 m/s, I1
    II 330 m/s≤vs20<760 m/s, C C 260 m/s≤vs30<510 m/s, II
    III 160 m/s≤vs20<330 m/s, D D 150 m/s≤vs30<260 m/s, III
    IV vs20<160 m/s E vs30<150 m/s, IV
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    表  5  中国、日本、美国场地分类对比

    Table  5.   Site classification of China, Japan and America

    国名分类标准其他
    中国I、II、III、IV等效剪切波速和
    土层厚度
    应注意中美场地等效剪切波速计算的差异
    日本I、II、III场地特征周期
    美国A、B、C、D、E、F等效剪切波速或标贯数
    或不排水抗剪强度
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    表  6  II类场地设计地震动峰值位移

    Table  6.   Design peak value of acceleration in type II site /m

    峰值加速度分区/g0.050.100.150.200.300.40
    E1地震作用/g0.020.040.050.070.100.14
    E2地震作用/g0.030.070.100.130.200.27
    E3地震作用/g0.080.150.210.270.350.41
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    表  7  场地地震动峰值位移调整系数

    Table  7.   Adjustment coefficient of peak displacement

    场地类别II类场地设计地震动位移峰值/m
    ≤0.030.070.100.130.20≥0.27
    I00.750.750.800.850.901.00
    I10.750.750.800.850.901.00
    II1.001.001.001.001.001.00
    III1.201.201.251.401.401.40
    IV1.451.501.551.701.701.70
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    表  8  两种规范地面峰值位移的对比

    Table  8.   Comparison of peak displacement of two seismic codes /mm

    分组规范1规范2
    地震E1E2E3E1E2E3
    第一组2.96.113.770130270
    第二组3.88.017.970130270
    第三组4.810.122.670130270
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    表  9  各重现期之间地面峰值加速度比值

    Table  9.   Comparison of peak acceleration of different return period

    重现期/年7度(0.10 g)7度(0.15 g)8度(0.20 g)8度(0.30 g)9度
    500.350.370.350.370.35
    1000.460.480.480.510.51
    4751.001.001.001.001.00
    19752.512.312.001.701.50
    25002.982.692.251.841.58
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    表  10  中国、日本、美国场地地震反应的对比

    Table  10.   Site response in Chinese, Japanese, American seismic codes

    国名公式相关因素
    中国 ${U_{0k} } = \dfrac{ { {K_{\text{H} } }{\text{g} }T_g^2} }{ {4{\pi ^2} } }$ 设防烈度、场地特征周期
    日本 ${u_{\max } }({\textit{z}}) = \eta \dfrac{2}{ { {\pi ^2} } }{S_{\text{v} } }{T_{\text{s} } }\cos \left( {\dfrac{ {\pi {\textit{z}}} }{ {2H} } } \right)$ 设计反应速度、表层土固有周期、管线埋深、基岩深度、场地不均匀情况
    美国 ${\varepsilon _{ {\text{soil } } } } = \dfrac{ {\partial v} }{ {\partial x} } = \dfrac{1}{c} \cdot \dfrac{ {\partial f} }{ {\partial t} }$ 场地波速、场地峰值速度
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    表  11  管土相互作用对比

    Table  11.   Comparison of pipe-soil interaction

    国名公式相关因素共同点
    中国 ${K_1} = {u_{\text{p}}}{k_1}$ 管径、土体弹性抗力 中日均忽略了管土之间相互作用的复杂性,抽象为简单的线弹性模型。
    日本 ${K}_{\text{g}1}={C}_{1}\dfrac{ {\gamma }_{t} }{ \text{g} }{V}_{\text{SD} }^{2}$${K}_{\text{g}2}={C}_{2}\dfrac{ {\gamma }_{t} }{ \text{g} }{V}_{\text{SD} }^{2}$ 管径、埋深、土体重度、场地剪切波速
    美国 忽略 忽略
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    表  12  管线单个接头设计允许位移量

    Table  12.   Allowable displacement of single joint

    管材接头填料限值/mm
    铸铁管(含球墨铸铁管)、PC管橡胶圈10
    铸铁管、水泥棉管石棉水泥0.2
    钢筋混凝土管水泥砂浆0.4
    PCCP橡胶圈15
    PVC、FRP、PE管橡胶圈10
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    表  13  柔性接头变形承载力

    Table  13.   Deformation capacity of flexible joint

    接头受拉极限/cm转角极限/(°)备注
    机械连接35
    锁定机械连接<15可轻微扩展
    受限机械连接55S-型接头(日本)
    TYTON型连接33~5随管径变化
    翼缘锁定连接35
    TR柔性伸缩套筒连接2D D为管径
    限制扩展连接255
    XTRA柔性耦连接20
    球结15
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    表  14  分段管线接头变形计算对比

    Table  14.   Joint deformation comparison of segmented pipelines

    国名公式管土变形传递系数指标备注
    中国 ${\Delta _{ {\text{joint } } } } = \dfrac{ { {\Delta _{ {\text{plk } } } } } }{n}$(标准值) $\Delta _{ {\text{joint } } }^{\text{d} } = \dfrac{ { {\gamma _{ {\text{EHP} } } }{\Delta _{ {\text{joint } } } } } }{ { {\lambda _{\text{c} } } }}$(设计值) 管材弹性模量、管线横截面积、土弹簧系数、场地剪切波波长 接头轴向变形 应注意规范给出的平均值、标准值、设计值和不同保证率下接头变形值之间的区别
    日本 ${U_{\text{j}}} = {u_0} \cdot {u_{\text{j}}}$ $\theta = \dfrac{ {4{\pi ^2}lU_{\text{h} }^\prime } }{ { {L^2} } }$ ${\sigma }_{1\chi }=\sqrt{ {({\sigma }_{1 \text{L} }^{\prime })}^{2}+{({\sigma }_{1 \text{B} }^{\prime })}^{2} }$ ${\sigma }_{2\text{X} }=\sqrt{ {({\sigma }_{2 \text{L} }^{\prime })}^{2}+{({\sigma }_{2 \text{B} }^{\prime })}^{2} }$ 管材弹性模量、管线横截面积、土弹簧系数、场地剪切波波长、管线长度有关 接头轴向变形和弯曲
    变形、管身应力
    美国 ${\Delta _{ {\text{joint} } } } = {L_{\text{p} } }\dfrac{ {{\rm{PGV}}} }{c}$(平均值) ${\Delta _{ {\text{design } } } } = 7{L_{\text{p} } }\dfrac{ {{\rm{PGV}}} }{c}$(99.9%保证率)$\begin{gathered} {\Delta _{ {\text{design } } } } = {L_{\text{p} } }\frac{ {{\rm{PGV}}} }{c} + {\Delta _{ {\text{operational } } } } +\hfill \\ {\text{ } } 0.25{\text{ inch } } \hfill \\ \end{gathered}$(失效概率1/6000) 始终为1 接头轴向变形
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    表  15  中国、日本、美国整体管线抗震设计对比

    Table  15.   Comparison of continuous pipelines in China, Japan and America

    国家公式管土变形传递系数指标
    中国${\varepsilon _{ {\text{smk} } } } = {\xi_{\text{t} } }{U_{0{\text{k} } } }\dfrac{\pi }{L}$管材弹性模量、管线横截面积、土弹簧系数、场地剪切波波长应变
    日本$ {\varepsilon }_{1\chi }=\sqrt{{\gamma }_{\text{d}}{\varepsilon }_{1 \text{L}}^{2}+{\varepsilon }_{1 \text{B}}^{2}} $$ {\varepsilon }_{2\chi }=\sqrt{{\gamma }_{\text{d}}{\varepsilon }_{2 \text{L}}^{2}+{\varepsilon }_{2 \text{B}}^{2}} $管材弹性模量、管线横截面积、土弹簧系数、场地剪切波波长、管线长度应变
    美国${\varepsilon _{ {\text{pipe} } } } = {\varepsilon _{ {\text{soi} }1} } = \dfrac{ {{\rm{PGV}}} }{c}$始终为1应力
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    表  16  中日美三国埋地分段管线计算结果

    Table  16.   Calculation results of segmented pipelines in China, Japan and American seismic codes /mm

    国名场地峰值平均值标准值
    (95%)
    计算值
    (99.9%)
    设计值转角/(°)管体应力/
    GPa
    中国6.080.571.14
    日本42.74 2.330.035.96
    美国0.362.512.51或6.71
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    表  17  中日美三国整体管线计算结果

    Table  17.   Calculation results of continuous pipelines in Chinese, Japanese and American seismic codes

    国名场地
    峰值/mm
    传递系数应变/με应力/MPa控制
    指标
    中国6.080.9349145.810 000 με
    日本42.740.9973和1.01020.216 795 με
    美国159.712.3094 MPa
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-05-17
  • 修回日期:  2022-01-17
  • 网络出版日期:  2022-01-27
  • 刊出日期:  2022-06-06

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