作者:张双虎 来源:科学时报 发布时间:2009-11-30 9:35:01
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我国科学家寻找地震波袭击“生命线工程”规律

 
[科学时报 张双虎报道]供水、供电、煤气、通信电缆等网管工程被视为城市的“生命线工程”。这些工程在地震时遭到破坏,会导致城市局部或全部瘫痪,并发生次生灾害。我国属地震多发区,对于有抗震设防要求的城市,管网安全对保障生命安全、减少地震损失具有重大意义。在国家自然科学基金的支持下,北方工业大学建筑学院院长屈铁军研究小组对此展开了长期研究,试图找到一种更准确的地下管道在地震中反应的计算方法。
 
不容忽视的管道安全问题
 
地下管线被视作城市的生命线,一旦在地震中破坏,除自身破坏造成的直接损失外,还将引发严重的次生灾害。
 
1971年2月9日,美国加利福尼亚州圣费尔南多发生震级为6.4级的地震,使圣费尔南多山谷的埋地输气管道和给排水管道遭受了重大损坏,发生了450处地下管道的断裂,平均每千米有24处破坏,并发生多次因管道破裂而引起的次生灾害。同年美国联邦政府出台《生命线基础设施抗震计划议案》。从此地下供水、供气、输油等关系国计民生的地下管网工程被称作“生命线工程”。
 
根据地震灾害记录资料,由地震引起的生命线工程的次生灾害不胜枚举。1906年美国旧金山地区发生8.3级地震,地震引起全市50多处起火,因为供水管道损坏,无法急救,大火烧了三天三夜,导致十几平方千米的市区内521条街道被烧毁,火灾造成的损失比地震直接破坏高达三倍。1923年日本关东地区发生7.9级大地震时,东京煤气公司4个营业所,12个分所和11万户煤气设备因煤气外喷引起火灾被烧毁,东京、横滨几乎被地震带来的火灾烧光。1933年美国加利福尼亚州朗皮切地震,由于煤气管道破坏造成7起火灾。1952年加利福尼亚州寇恩地震时,由于炼油厂高压油管断裂引起爆炸,波及两个球形储罐,发生爆炸导致大火。1975年我国辽南海城地震,营口市震后火灾高达一天36次。1976年7月的唐山大地震,在唐山市总长度为110千米的供水干管中,444处遭到不同程度的破坏。地震波及天津(烈度为7度~8度),当时天津市输配水管网总长度为1676.96千米(含干管、支管),被破坏总数为1308处。2003年2月24日,我国新疆喀什地区巴楚县发生地震(6度左右),由于震区大量采用UPVC塑料管作为输配水管道,故震后供水管网遭到严重破坏,生活供水管路几近瘫痪。
 
“地震会引起地面运动,产生管道内裂、变形。大量震害记录证实,地下管线在地震中易遭破坏,也暴露了地下管线抗震设计理论不完善。因此,需要寻求一套较为合理和完善的抗震设计计算方法。我们目前所做的工作,就是想找到较准确的计算方法。”屈铁军说,“解决这一问题的关键是弄清地震中地面是怎么运动的,如果把地面运动的问题搞清楚后,剩下的就是计算问题了,就容易解决了。”
 
通用计算方式存在误差
 
对埋在地下的各种管道在地震输入后的反应计算不准,会带来很多问题。如果计算出的反应过大,过度提高抗震等级会提高造价,造成浪费;如果计算数据过低,降低抗震等级,一旦发生问题又将是灾难性的危害。
 
目前,强震作用下地下管线地震反应计算多采用波动法求解。这种方法假定地震波为一行进波,沿管线的轴向或成某一角度传播,它只能求得地面运动的相位差引起的管线变形和内力。有些研究者将地震地面运动假定为空间变化的平稳随机过程,用随机振动理论求得管线的地震反应,但不能反映地面运动的非平稳性对管线地震反应的影响。而地面运动的非平稳性,特别是时域非平稳性很可能是产生地下管线变形和内力的最重要原因。
 
屈铁军带领的研究小组将地面运动看做在时间和空间上分布的随机过程,根据地面运动的统计模型生成管线轴线上各点的平稳地面运动时程,再乘以强度包络函数生成非平稳地面运动时程,用级数解法求管道的地震反应。由于这种方法能较好地反映地面运动的时域非平稳性,所以得到的计算结果更真实。
 
“地下管道地震输入及反应的研究,首先要弄清地震是怎么输入管道的,其次是地震输入后管道产生怎样的反应。不同的输入会有不同的影响。现在地下管道的抗震设计规范还是沿用上世纪70年代的计算标准修订的,设计规范是根据原来用计算方法得出的。我们根据现在一些强震记录,尤其是美国加州大学伯克利分校和台湾‘中央研究院’在我国台湾花莲地区作的地震记录。用他们的记录进行统计和分析,试图找到规律。这一过程中也发现一些用原来方法计算的结果和记录不符,和地震波从一侧向另一侧传递的规律不符。”屈铁军说,“忽略地面运动在空间上分布的随机性和非平稳性可能导致危险的结果,我们用常规方法计算过一些结果,和强震记录相比,结果偏小。”
 
研究人员采用另一些方法,认为地震波不但在时间上是随机的(没有确定性规律),在空间上传播也是随机的。“随机不是说没有规律可言,只不过它是统计规律,不是确定性规律。随机并非一点规律没有,它只不过是以概率的形式出现。如果我们能将这种规律弄清,对管道安全工程也会有积极意义。”屈铁军说。
 
《科学时报》 (2009-11-30 A4 科学基金)
 
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