采用柔性接头（Flexible Joints）减轻跨断层弯管式输水管道的损伤：数值模拟与抗震设计优化

本文针对2023年土耳其地震中Duzbag输水管道在Sogutlu断层处的破坏案例，通过建立非线性三维土-结构相互作用（soil-structure interaction）模型，系统分析了弯管接头的损伤机制，并提出采用波形柔性接头（wave-featured flexible joints）作为有效的抗震减灾措施。研究不仅验证了数值模型对显性/隐性损伤的精准捕捉，还为跨断层管道设计提供了兼顾断层测绘不确定性（fault mapping uncertainties）的优化方案。

　　

The Duzbag water transmission pipeline

在2023年土耳其地震期间，大量管道系统报告出现屈曲（buckling）、管壁皱褶（wall wrinkling）和管径缩小等失效形式。其中，Duzbag输水管道受损尤为严重：其弯头及管壁发生断裂，并在远离主断层交叉点的位置出现未检测到的隐性损伤（hidden damage）。4.0–5.0米的地表破裂引起显著压缩荷载，导致管道截面形状发生严重畸变（Fig. 3）。

Numerical soil-pipe interaction model

本研究采用非线性三维土-结构相互作用模型，以评估Duzbag钢制输水管在断层作用下的损伤机制（Fig. 5）。该模型引入接触算法，使用壳单元（S4R）模拟管道，实体单元（C3D8R）模拟周围土体。管道与土体表面的相互作用采用莫尔-库仑摩擦定律（Mohr-Coulomb friction law）进行建模，与文献中类似研究保持一致。

Damage mitigation using flexible joints

采用柔性连接管道的主要理念是通过增大径厚比（D/t）引入波形几何构型，从而促使塑性区形成并抑制损伤扩展。本研究提出三种管道配置方案：弯头两侧均布置柔性接头（Fig. 11, Fig. 12）、单侧布置双接头，以及在隐藏损伤出现处临近断层线策略性增置一个柔性接头。

Flexible joint on both sides of the pipe elbow

首先，在管道弯头两侧各使用一个柔性接头作为减灾措施。如Fig. 13所示，随着断层位移逐步增大，由断层位移引起的轴向荷载与应力主要聚集于接头#1处。当断层位移达0.8米时，临近断层线的#2点因应力过度累积而发生局部屈曲（local buckling）。

当位于#2点的塑性铰（plastic hinge）在约2.0米位移处达到其转动极限时，接头#1发生破坏，导致应力重新分布至接头#3。这一过程显示柔性接头通过塑性变形有效吸收了能量，显著降低了管道管体段的应力水平。

Fault mapping uncertainties and their impact on buried pipelines at fault crossings

断层测绘不确定性（Fault mapping uncertainties）是指因地质数据不足、遥感技术局限或断层行为随时间自然变化等原因，导致无法精确识别活动断层的位置、几何形态与滑动特性。当埋地管道穿越活动断层带时，这类不确定性变得至关重要，因其直接影响基础设施的设计、布置与抗震韧性。

Conclusions

2023年土耳其7.8级地震对管道基础设施造成重大冲击。输水、输气及输油管道严重受损或破裂，导致地震影响区域内服务中断。Duzbag输水管道是一个值得关注的案例：该管道在穿越断层线前使用弯头进行了改线。通过采用先进的三维非线性土-管相互作用模型，我们评估了其损伤进程与机制。