地下管线中日美三国抗震设计规范的对比与转换

缪惠全

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

缪惠全^{1, 2, ,}

1.
北京工业大学城建学部，北京 100124
2.
北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 100124

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
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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

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

MIAO Hui-quan^{1, 2
, ,}

1.
Faculty of Architecture, Civil and Transportation Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
2.
Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering, China Ministry of Education, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China

摘要

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。
- 地下管线 /
- 抗震设计 /
- 规范 /
- 中美 /
- 地震反应
Abstract: Underground pipelines are important components of lifeline engineering, and they undertake important tasks such as supplying water, gas, and heating, etc. Once they are damaged in the earthquake, the normal life of residents and the recovery of the city after the disaster will be affected seriously. As the countries with the strongest earthquake resistance, China, Japan and America have their own characteristics in the seismic design of underground pipelines. However, the existing studies about the seismic guidelines of the three countries only focus on the seismic design principles of underground pipelines or only focus on the comparison of seismic design of building structures. Therefore, a comprehensive analysis and comparison for the seismic design of underground pipelines are conducted in this study. Meanwhile, how to transform the seismic design parameters from one country to another is discussed. Finally, this study uses two examples to show the feasibility of the study.
- underground pipelines /
- seismic design /
- code /
- China and America /
- seismic response

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图 1 半无限均质土层地震反应

Figure 1. Seismic response of semi-infinite homogeneous soil

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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1	−	0.15
水准2	I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

A_PGA		7度(0.10 g)	7度(0.15 g)	8度(0.20 g)	8度(0.30 g)	9度
γ_C		2.97	2.69	2.25	1.84	1.58
C类	S_s	0.65	1.01	1.13	1.38	1.58
	S₁ (第一组)	0.16	0.22	0.25	0.33	0.39
	S₁ (第二组)	0.18	0.26	0.30	0.39	0.48
	S₁ (第三组)	0.21	0.30	0.35	0.46	0.55
D类	S_s	0.55	0.89	1.04	1.38	1.58
	S₁ (第一组)	0.11	0.17	0.20	0.26	0.31
	S₁ (第二组)	0.13	0.20	0.23	0.31	0.40
	S₁ (第三组)	0.15	0.24	0.28	0.38	0.46
注：A_PGA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；γ_C为重现期调整系数；S_s、S₁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	v_s20≥1500 m/s, A	A	v_s30≥760 m/s, I₀
I	I₁	760 m/s≤v_s20<1500 m/s, B	B	510 m/s≤v_s30<760 m/s, I₁
II		330 m/s≤v_s20<760 m/s, C	C	260 m/s≤v_s30<510 m/s, II
III		160 m/s≤v_s20<330 m/s, D	D	150 m/s≤v_s30<260 m/s, III
IV		v_s20<160 m/s	E	v_s30<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/g	0.05	0.10	0.15	0.20	0.30	0.40
E1地震作用/g	0.02	0.04	0.05	0.07	0.10	0.14
E2地震作用/g	0.03	0.07	0.10	0.13	0.20	0.27
E3地震作用/g	0.08	0.15	0.21	0.27	0.35	0.41

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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
场地类别	≤0.03	0.07	0.10	0.13	0.20	≥0.27
I₀	0.75	0.75	0.80	0.85	0.90	1.00
I₁	0.75	0.75	0.80	0.85	0.90	1.00
II	1.00	1.00	1.00	1.00	1.00	1.00
III	1.20	1.20	1.25	1.40	1.40	1.40
IV	1.45	1.50	1.55	1.70	1.70	1.70

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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	E1	E2	E3	E1	E2	E3
第一组	2.9	6.1	13.7	70	130	270
第二组	3.8	8.0	17.9	70	130	270
第三组	4.8	10.1	22.6	70	130	270

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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
50	0.35	0.37	0.35	0.37	0.35
100	0.46	0.48	0.48	0.51	0.51
475	1.00	1.00	1.00	1.00	1.00
1975	2.51	2.31	2.00	1.70	1.50
2500	2.98	2.69	2.25	1.84	1.58

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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	3	5	−
锁定机械连接	<1	5	可轻微扩展
受限机械连接	5	5	S-型接头(日本)
TYTON型连接	3	3~5	随管径变化
翼缘锁定连接	3	5	−
TR柔性伸缩套筒连接	2D	−	D为管径
限制扩展连接	25	5	−
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	6.08	−	0.57	−	1.14	−	−
日本	42.74	−	−	−	2.33	0.03	5.96
美国	−	0.36	−	2.51	2.51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	6.08	0.9349	145.8	−	10 000 με
日本	42.74	0.9973和1.0	1020.2	−	16 795 με
美国	−	1	59.7	12.30	94 MPa

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