第五章 案例分析
5.3 管線受平移斷層之案例分析(壓力與撓曲破壞)
本節所探討之案例為管線與平移斷層夾角大於90 度之情形如圖 5,1(b)，本節共探討了六個案例，這六個案例之斷層角分別為 105、
120、135、150、165 與 180 度，分析結果如圖 5.37、圖 5.42、圖 5.47、
圖 5.52、圖 5.57、圖 5.62 為管線靠近斷層 5m 之破壞示意圖，同樣
[10]的連續管容許錯動量做一比較，0 度到 75 度可看出分段管的容許 錯動量比連續管的容許錯動量低很多，主要是因為接頭拉力非線性鉸 的容量只有管體拉力非線性鉸的 0.01 倍，因此容許錯動量也較低，
觀察 90 度到 135 度可發現分段管的容許錯動量比連續管的容許錯動 量高，主要是因為接頭可承受的撓曲變形角度較管體的角度大，因此 容許錯動量較高，最後觀察 150 度到 180 度，分段管的容許錯動量比 連續管的容許錯動量低一點，主要是因為接頭的壓力非線性鉸建立的 位移以及力量皆為管體壓力非線性鉸的0.8 倍，因此分段管的容許錯 動量也約為連續管的0.8 倍。
表5.1 案例分析數值模擬之參數整理[29][30][31][32]
標稱管徑 DN400
埋設深度 H(至管中心距離) 72.875 側向土彈簧極限承載力
P
u(kN m
/ ) 0.03625側向土彈簧降伏位移
y
u(m) 0.03625 側向土彈簧徑度(kN m/ 2) 2010.345 軸向土彈簧極限承載力f
u(kN m
/ ) 8.825軸向土彈簧降伏位移
x
u(m) 0.00254 軸向土彈簧徑度(kN m/ 2) 3474.41管材彈性模數
E
167GPa
，土壤單位重s 20kN m/ 3，土壤內磨擦角
40，管材與土壤間磨擦係數
0 0.8。unit：kN、m表5.2 斷層容許錯動量比較(拉力控制)
圖5.1 管線受斷層錯動示意圖
圖 5.2 ASCE(1984)所定義之非線性土彈簧示意圖[30]
圖5.3 自由端修正後之數值模型[10]
圖5.4 管線與平移斷層夾角為 0 度之破壞示意圖(拉力破壞)
0 10 20 30
p u sh ove r for ce (k N)
DEGREE 0 axial force
圖5.6 管線破壞時之軸力圖(管線與平移斷層夾角為 0 度)
圖 5.7 管線與平移斷層夾角為 15 度之破壞示意圖(拉力破壞)
0 10 20 30 40
position (m)
0 40 80 120
Axialforce(kN) DEGREE 0
Axial force
(2.96 , 27.71)
(0.08 , 70.69)
圖5.8 管線破壞時之撓曲變形圖(管線與平移斷層夾角為 15 度)
圖5.9 管線於接頭處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 15 度)
0 10 20 30
position (m)
-0.016
DEGREE 15 Pipe deflection
(2.96 , 0.003)
0 0.0 2 0.04 0.06
half fault displacement (m)
0 10 20 30
pu sh over forc e (k N)
DEGREE 15 axial force lateral force
圖5.10 管線破壞時之軸力圖(管線與平移斷層夾角為 15 度)
圖 5.11 管線破壞時之撓曲圖(管線與平移斷層夾角為 15 度)
0 10 20 30 40
position (m)
0 40 80 120
Axialforce(kN) DEGREE 15
Axial force
(2.96 , 27.71) (0.08 , 70.84)
0 10 20 30 40
position (m)
-40
DEGREE 15 Moment
(2.96 , 1.186)
(1.2 , 16.18)
圖5.12 管線與平移斷層夾角為 30 度之破壞示意圖(拉力破壞)
0 10 20 30
position (m)
-0 .04 -0 .03 -0 .02 -0 .01 0 0.01
pipedeflection(m)
DEGREE 30 Pipe deflection
(2.96 , 0.006)
圖5.14 管線於接頭處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 30 度)
圖5.15 管線破壞時之軸力圖(管線與平移斷層夾角為 30 度)
0 0.0 2 0.04 0.06
half fault displacement (m)
0 10 20 30
pu sh over forc e (k N)
DEGREE 30axial force lateral force
0 10 20 30 40
position (m)
0 40 80 120
Axialforce(kN) DEGREE 30
Axial force
(2.96 , 27.71)
(0.08 , 71.56)
圖5.16 管線破壞時之撓曲圖(管線與平移斷層夾角為 30 度)
圖5.17 管線與平移斷層夾角為 45 度之破壞示意圖(拉力破壞)
0 10 20 30 40
position (m)
-80 -40 0 40 80 120
M(kN-m)
DEGREE 30 Moment
(2.96 , 2.549)
(1.2 , 34.83)
圖5.18 管線破壞時之撓曲變形圖(管線與平移斷層夾角為 45 度)
圖5.19 管線於接頭處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 45 度)
0 10 20 30
position (m)
-0.06
Degree 45
Pipe deflection
(2.96 , 0.010)
0 0.02 0.04 0.06
half fault displacement (m)
0
DEGREE 45 axial force lateral force
圖5.20 管線破壞時之軸力圖(管線與平移斷層夾角為 45 度)
圖5.21 管線破壞時之撓曲圖(管線與平移斷層夾角為 45 度)
0 10 20 30 40
position (m)
0 40 80 120
Axialforce(kN)
Degree 45 Axial force
(2.96 , 27.71) (0.08 , 73.22)
0 10 20 30 40
position (m)
-80
Degree 45 Moment
(2.96 , 4.368)
(1.2 , 58.59)
圖5.22 管線與平移斷層夾角為 60 度之破壞示意圖(拉力破壞)
圖5.23 管線破壞時之撓曲變形圖(管線與平移斷層夾角為 60 度)
0 10 20 30
position (m)
-0.12 -0.08 -0.04 0 0.04
pipedeflection(m)
Degree 60
Pipe deflection
(2.96 , 0.0152)
圖5.24 管線於接頭處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 60 度)
圖5.25 管線破壞時之軸力圖(管線與平移斷層夾角為 60 度)
0 0.0 2 0.04 0.06
half fault displacement (m)
0 20 40 60
pu sh over forc e (k N)
DEGREE 60 axial force lateral force
0 10 20 30 40
position (m)
0 40 80 120
Axialforce(kN)
Degree 60 Axial force
(2.96 , 27.71)
(0.08 , 76.03)
圖5.26 管線破壞時之撓曲圖(管線與平移斷層夾角為 60 度)
圖5.27 管線與平移斷層夾角為 75 度之破壞示意圖(拉力破壞)
0 10 20 30 40
position (m)
-80 -40 0 40 80 120
M(kN-m)
Degree 60 Moment
(2.96 , 7.223)
(1.36 , 82.23)
圖5.28 管線破壞時之撓曲變形圖(管線與平移斷層夾角為 75 度)
圖5.29 管線於接頭處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 75 度)
0 10 20 30
position (m)
-0.2
Degree 75
Pipe deflection
(2.96 , 0.0217)
0 0.02 0.04 0.06
half fault displacement (m)
0
DEGREE 75 axial force lateral force
圖5.30 管線破壞時之軸力圖(管線與平移斷層夾角為 75 度)
圖5.31 管線破壞時之撓曲圖(管線與平移斷層夾角為 75 度)
0 10 20 30 40
position (m)
0 40 80 120
Axialforce(kN)
Degree 75 Axial force
(2.96 , 27.71)
(0.08 , 82.25)
0 10 20 30 40
position (m)
-80
Degree 75 Moment
(2.96 , 11.39)
(1.44 , 100.11)
圖5.32 管線與平移斷層夾角為 90 度之破壞示意圖(拉力破壞)
0 10 20 30
position (m)
-0.6 -0.4 -0.2 0 0.2
pipedeflection(m)
Degree 90
Pipe deflection
(2.96 , 0.0297)
圖5.34 管線於接頭處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 90 度)
圖5.35 管線破壞時之軸力圖(管線與平移斷層夾角為 90 度)
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
half fault displacement (m)
0 40 80 120
pu sh over forc e (k N )
DEGREE 90 axial force lateral force
0 10 20 30 40
position (m)
0 40 80 120
Axialforce(kN) Degree 90
Axial force
(2.96 , 27.71)
(0.08 , 106)
圖5.36 管線破壞時之撓曲圖(管線與平移斷層夾角為 90 度)
圖5.37 管線與平移斷層夾角為 105 度之破壞示意圖(撓曲破壞)
0 10 20 30 40
position (m)
-80 -40 0 40 80 120
M(kN-m)
Degree 90 Moment
(2.96 , 14.52)
(1.52 , 107.81)
圖 5.38 管線破壞時之撓曲變形圖(管線與平移斷層夾角為 105 度)
圖5.39 管線於接頭處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 105 度)
0 10 20 30
position (m)
-0.6
Degree 105
Pipe deflection
(2.96 , 0.2052)
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
half fault displacement (m)
0
DEGREE 105 axial force lateral force
圖5.40 管線破壞時之軸力圖(管線與平移斷層夾角為 105 度)
圖5.41 管線破壞時之撓曲圖(管線與平移斷層夾角為 105 度)
0 100 200 300 400
position (m)
0 1000 2000 3000
Axialforce(kN)
DEGREE 105 Axial force
(2.96 , 917.05) (15.44 , 959.76)
0 10 20 30 40
position (m)
-100
M(kN-m) Degree 105
Moment
(2.96 , -16.01)
(5.44 , 333.26)
圖5.42 管線與平移斷層夾角為 120 度之破壞示意圖(撓曲破壞)
圖 5.43 管線破壞時之撓曲變形圖(管線與平移斷層夾角為 120 度)
0 10 20 30
position (m)
-0.2 -0.1 0 0.1 0.2
pi pe de fl e ct io n (m)
DEGREE 120 Pipe deflection
(2.96 , 0.1203)
圖5.44 管線於接頭處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 120 度)
圖5.45 管線破壞時之軸力圖(管線與平移斷層夾角為 120 度)
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
half fault displacement (m)
0
DEGREE 120 axial force lateral force
0 100 200 300 400
position (m)
0 1000 2000 3000
Axialforce(kN)
DEGREE 120 Axial force (0.08 , 2006.35)
(2.96 , 1966.89)
圖5.46 管線破壞時之撓曲圖(管線與平移斷層夾角為 120 度)
圖5.47 管線與平移斷層夾角為 135 度之破壞示意圖(壓力破壞)
0 10 20 30 40
position (m)
-100 0 1 00 2 00 3 00 4 00
M(kN-m)
DEGREE 120 Moment
(2.96 , -16.05)
(5.2 , 277.17)
圖 5.48 管線破壞時之撓曲變形圖(管線與平移斷層夾角為 135 度)
圖5.49 管線於接頭處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 135 度)
0 10 20 30
position (m)
-0.2 -0.1 0 0.1 0.2
pipe de fl e ct io n (m )
DEGREE 135Pipe deflection(2.96 , 0.1168)
0 0.04 0.08 0.12 0.16
half fault displacement (m)
0
DEGREE 135 axial force lateral force
圖5.50 管線破壞時之軸力圖(管線與平移斷層夾角為 135 度)
圖5.51 管線破壞時之撓曲圖(管線與平移斷層夾角為 135 度)
0 100 200 300 400
position (m)
0 1000 2000 3000
Axialforce(kN)
DEGREE 135 Axial force
(0.08 , 2420.62) (2.96 , 2398.94)
0 10 20 30 40
position (m)
-100
DEGREE 135 Moment
(2.96 , 12.98)
(5.2 , 277.17)
圖5.52 管線與平移斷層夾角為 150 度之破壞示意圖(壓力破壞)
0 10 20 30
position (m)
-0.04 0 0.04
pipedeflection(m)
DEGREE 150 Pipe deflection
(2.96 , 0.0352)
圖5.54 管線於接頭處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 150 度)
圖5.55 管線破壞時之軸力圖(管線與平移斷層夾角為 150 度)
0 0.04 0.08 0.12 0.16
half fault displacement (m)
0
DEGREE 150 axial force lateral force
0 100 200 300 400
position (m)
0 1000 2000 3000
Axialforce(kN)
DEGREE 150 Axial force (2.96 , 2398.7)
(0.08 , 2437.91)
圖5.56 管線破壞時之撓曲圖(管線與平移斷層夾角為 150 度)
圖5.57 管線與平移斷層夾角為 165 度之破壞示意圖(壓力破壞)
0 10 20 30 40
position (m)
-100 0 100 200 300 400
M( k N -m )
DEGREE 150Moment
(2.96 , -9.51)
(4.96 , 97.36)
圖 5.58 管線破壞時之撓曲變形圖(管線與平移斷層夾角為 165 度)
圖5.59 管線於接頭處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 165 度)
0 10 20 30
position (m)
-0.04 -0.02 0 0.02
pipe de fl e ct io n (m )
DEGREE 165 Pipe deflection
(2.96 , 0.0164)
0 0.04 0.08 0.12 0.16
half fault displacement (m)
0
DEGREE 165 axial force lateral force
圖5.60 管線破壞時之軸力圖(管線與平移斷層夾角為 165 度)
圖5.61 管線破壞時之撓曲圖(管線與平移斷層夾角為 165 度)
0 100 200 300 400
position (m)
0 1000 2000 3000
Axialforce(kN)
DEGREE 165
Axial force
(2.96 , 2398.7) (0.08 , 2440.37)
0 10 20 30 40
position (m)
-100
DEGREE 165 Moment
(2.96 , -4.39)
(4.96 , 45.86)
圖5.62 管線與平移斷層夾角為 180 度之破壞示意圖(壓力破壞)
0 500 1000 1500 2000 2500
pu sh over forc e (k N)
DEGREE 180 axial force
圖5.64 管線破壞時之軸力圖(管線與平移斷層夾角為 180 度)
圖 5.65 斷層容許錯動量在不同斷層角下比較(0 至 180 度)[10]
0 100 20 0 300 400
position (m)
0 1000 2000 3000
A x ia l force (k N)
DEGREE 180 Axial force
(0.08 , 2441.71) (2.96 , 2398.7)
0 40 80 120 160 200
Fault angle (deg)
0
This study Kuo[10]
第六章 結論與建議
在第四章本文利用商用軟體ABAQUS 針對 DN100、DN200、
DN400、DN600 四種標稱管徑在管內設置與試驗相同水壓後進行分析，
並且對數值模型進行合理的假設以及適當的修正，接著與本文第三章