基于ANSYS和EPANET的供水管网抗震预测模型研究

论文导读:：为了对管网中的抗震脆弱点（区域）进行分析以便有的放矢地开展抗震设防工作，，本文建立了基于ANSYS与EPANET的供水管网抗震预测模型。通过ANSYS环境下建立的微观模型进行模拟实验，可以获取各种典型接头在地震波影响下的位移和应力值，并改变参数进行平行实验而得到多组数据，在EPANET环境下建立宏观管网拓扑模型，计算各个节点的“位移危险值”指标和“应力危险值”指标；然后以四川省江油市供水管网实际地震受损调研资料进行了预测方法的验证。
论文关键词：地震，供水管网，损失评估，预测模型，ANSYS，EPANET

 

地震威胁着人类社会的发展和进步，但是近几年就发生了诸如国内的汶川地震、玉树地震，国外的智利太子港、新西兰克莱斯特彻奇、日本宫城等特大地震，对于城市造成了巨大损坏，同时这些地区的供水管网也遭受了严重损失，故有必要展开供水管网的抗震预测理论研究。无小不成大，微观组成要素对于宏观效果表现具有极其重要的影响；知微见著，从一件事的苗头即可判断其发展的趋势，可见找出诱发事件的原因与兆头之重要性。本文研究即着眼于供水管网损坏的主要诱因——地震波冲击造成的管网危险性，由微观模拟实验到宏观模型预测地质论文，建立了一个完整的供水管网抗震预测模型，阐述了建模的流程、预测的步骤，并结合实际地震资料予以验证，做到了理论联系实际，研究成果可以预测管网地震相对危险点亦即抗震相对脆弱点（区域）,进行针对性的抗震加固设防，既可减少管网损坏的可能性，又可防止对设防平均用力造成资金浪费，经济、高效地保障地震期间的用水安全。

1预测方法流程

1.1 预测方法

ANSYS为一基于有限元分析的功能强大的计算软件。EPANET软件是由美国环保总署主持开发研究的水力计算软件，主要用于压力管网水力计算、管网平差、水质模拟[[1]]，。相关文献[[2]][[3]][[4]][[5]]和汶川地震调查均表明：管道在地震中损坏的主要原因多为接头的位移过大和应力集中，所以可考虑用有限元分析的方法计算出某一管道在特定条件（地震波、土质等）下的位移和应力分布以判断损坏情况。目前学术界对于单根管和两根连接管的抗震性能已有不少研究^{[2][3][4][5] [[6]][[7]]}，但是对于地震造成的供水管网全面损坏若使用有限元工具（例如ANSYS）进行模拟分析从速度、精度方面均不现实。故考虑按照从部分到整体，微观到宏观的思路，从1根管道推广到2根管、4根管、12根管、16根管，其中考虑了接头形式（弯头、三通、四通）、环状网、末端的水源点和用水节点，输水管、用户管等形成微观模型——其演化过程如图1所示。

图1 微观模型演化过程

对微观管网模型抗震性能研究后，进行多组模型的平行模拟以积累基本数据，将实验结果推广到实际城镇的供水管网中进行宏观管网模型进行预测，按此步骤形成预测模型结构如图2所示cssci期刊目录。

图2 预测模型结构模块图

1.2 预测流程

整个预测的流程首先进行若干平行实验（模拟），每个实验中包括几何建模、单元定义和网格划分、土体约束施加，并加载地震波得到各接头的位移应力数值地质论文，然后将实验数据进行处理加工，再建立城镇供水管网宏观模型，将实验数据应用到宏观模型中对供水管网的地震危险值分布作出计算从而完成预测。预测详细流程见图3。

图3 预测模型流程图

2预测步骤实例

2.1 收集基础资料

微观、宏观模型所需资料结构及其推求关系如图4、图5所示。

图4 微观模型所需资料结构推求关系图

图5 宏观模型所需资料结构推求关系图

2.2 微观模拟实验

用ANSYS建立一田字形微观管网，如图6所示：假设各管段管长、管径、管材都相等；田字形包含四通、三通、弯头等典型接头形式，伸出的两端分别代表水源端和用户端。

图6 田字形微观模拟实验模型

管体选用梁单元类型beam188，截面设置为圆管ctube，输入外半径R_o、内半径R_i以及管材密度ρ_p、弹性模量E等。如图7所示，水体质量考虑并入管壁中，则计算等效密度为：

（1） 4.1）

ρ——管段模型等效密度，kg/m³；

ρ_p——管材密度，kg/m³；

ρ_w——水密度，kg/m³；

R_i——管段内半径（Radiusinside），m；

R_o——管段外半径（Radiusoutside），m。

图7 beam188截面示意图

土对于管体的作用，参考王汝樑等人的研究 ^[2]，用土弹簧来模拟，在ANSYS的建模中借助弹簧单元单元combin14来实现。

网格划分采用规则形式均匀划分：管段轴向以0.1m为一单元长度；横截面按径向等分8片。

加载采用地震反应谱法， 谱类型为“频率—加速度”单点响应谱，水平方向。谱分析的地震波参数包括地震影响系数、地震特征周期、阻尼比，按照《建筑抗震规范》[[8]]查找计算。如得到四川省江油市水平地震影响系数最大值为1.20，Ⅱ类场地土；地震特征周期T_g为0.4s；阻尼比取ζ=0.05。

求解过程应用ANSYS软件来自动实现地质论文，如图8所示。

图8 模型求解流程图

应力按Von Mises原则、位移按sum原则提取。通过宏命令将计算结果数值输出为EXCEL的格式。常采用*get命令将数值存储到数组，创建宏，利用*vwrite命令将其写入EXCEL表格中，关闭宏，即可完成数据传输与存储。

2.3 平行实验处理

在模拟实验中改变管径、管材等参数可形成若干组平行实验，得到丰富的损坏基础实验数据，为进一步预测评价提供基本资料，如表1所示。

表1 江油市供水管网构成

对于各个实验计算出的位移值、应力值分别按照按（2）、（3）计算，进行模拟处理的流程图如图9所示。

i=1，2，……p；j=1，2，……q （1）

disp_ij——第i种管径（管材）第j种接头的位移综合值（displacement），m。

u_ijk——第i种管径（管材）第j种的第k个接头sum位移模拟值，mcssci期刊目录。

n_j——微观管网中第j种接头的总数。对于本研究中14根管构成的田字形管网： n₁=1，即1个四通；n₂=6，即6个三通；n₃=2,即2个弯头；n₄=1,即1个自由端；n₅=1,即1个固定端。

p——微观管网典型管径（管材）数，例如对于江油管网为5种管径（管材），则p=5。

q——微观管网典型接头数，本研究中共五种接头，则q=5。

i=1地质论文，2，……p；j=1，2，……q（3）

stre_ij——第i种管径（管材）第j种接头的应力综合值（stress），Pa。

σ_ijkl——第i种管径（管材）第j种的第k个接头第l个单元Von-Mises应力模拟值，Pa。

m_j——微观管网中第j种接头关联单元数。对于本研究中14根管构成的田字形管网： m₁=4，即四通4个单元；m₂=3，即三通3个单元；m₃=2,即弯头2个单元；m₄=1,即自由端1个单元；m₅=1,即固定端1个单元。

经过处理即可得到位移应力综合结果，对江油市管网微观模型，可得到如表2、表3所示的位移结果表和应力结果表。

微观模拟实验和平行实验模拟的程序实现借助ANSYS的APDL（ANSYS Parametric DesignLanguage）命令流来实现，采用APDL语言代替GUI的实现方式。

图9 平行实验模拟结果数据处理流程图

表2 江油市微观模拟实验位移值结果（m）

表3 江油市微观模拟实验应力值结果（Pa）
 

2.4 宏观模型预测
 

利用EPANET建立要研究的供水管网宏观拓扑模型，如图10所示由江油市城区供水管网CAD图建立EPANET模型，共计节点61个，水源3个，管段87根。

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