基于离散-连续耦合法的埋地管道受荷过程模拟分析

为了从宏、细观角度反映出埋地管道管周土体的承载特点,文章采用离散-连续界面耦合数值模型对埋地管道受荷过程进行模拟分析,其中管周填土采用离散单元法进行模拟,埋地管道及原状土基采用有限差分单元法进行模拟。结果表明：随着荷载或埋深的增大,管顶受压产生压缩变形,管顶土体发生“压力拱效应”,引起管周土压力重分布;耦合模型水平位移场显示埋地管道在受荷过程中管侧回填土及原状土基能够分担和转移外荷载;管周土体的细观接触力链分布形态与管顶土压力的分布规律形成相互印证。     

基于斯潘格勒理论的埋地柔性管道有限元分析

基于斯潘格勒理论,简化了有限元分析中管土间复杂的相互作用.通过最小二乘法确定了有限元建模中的变量参数最大土压,从而建立了呈抛物线分布的水平静土压模型,实现了埋地柔性管线的有限元迭代计算;分析了其埋设深度和土体力学性能对埋地管道的径向与轴向变形的影响,以及地基差异引起的管道沉降问题.结果表明:该方法能合理地反映出土体与结构的相互作用,获得埋地柔性管道的应力、应变等结果,可应用于长距离埋地柔性管道和管件的设计及结构设计.     

机坪输油管道荷载附加应力分析

应用ABAQUS有限元软件,考虑管土相互作用,建立并验证了管道结构有限元分析模型.应用该模型,分析了管周附加应力的分布特征,计算了飞机、施工重型车辆和压路机荷载作用下,管道附加应力及其引起的管道结构应力和变形随管道埋深的变化规律.结果表明:不同管道埋深对应的管周附加应力在管顶至管两侧60°的范围内有显著差异,且该范围内附加应力近似呈抛物线分布.即使管道埋深小至1倍管径时,飞机荷载和施工重型车辆荷载引起的管道结构应力和变形仍远小于容许值,而压路机高振幅振动压应力引起的管道结构应力达到管道强度失效的临界标准,是管道承受的最不利外荷载类型,对管道埋深有重要影响.     

场地液化条件下埋地弯管道力学反应的数值模拟

基于ADINA有限元分析软件,建立了场地液化条件下埋地弯管的管土接触的土弹簧分析模型.在液化区设置过渡区,考虑非液化区的管土接触作用及液化区土对管道的约束作用,对管道的有效应力及轴向应力进行了分析.结果表明:当液化场地区域存在弯曲管道部分时,弯头处有效应力很大,使其成为整个管网系统中最薄弱的环节之一;弯头壁厚和曲率半径越大,弯管道有效应力越小,说明弯管越不容易发生破坏,有利于抗震;弯头所处液化区的位置距离液化区和非液化区交界处越远,弯管道所受的轴向应力越大,且存在一个最佳位置使得弯头有效应力最小.     

埋地管道不均匀沉降的应力及影响因素分析

为保障天然气埋地管道的安全运行,需要对其在不均匀沉降状态下的应力水平及其影响因素进行研究。选取该管道系统易发生应力集中的3个关键部位进行现场应力测试,得到系统运行时管道的应力值。应用ANSYS软件建立了管土非线性接触模型,通过对其进行分析,得到管道应力水平并建立了沉降差量与最大Von-Mises应力之间的映射关系。在该模型的基础上,探讨了管径、壁厚、埋深、埋土弹性模量、埋土泊松比对管道应力状态的影响。增大壁厚和埋土弹性模量以及减小埋深和管径均可降低不均匀沉降时管道的最大Von-Mises应力。研究结果为目前大量在建及在役天然气埋地管道的安全运行提供了理论支持,并提出了针对性的改进措施。     

大直径回填钢管管土相互作用研究

目前国内水利水电行业回填钢管的设计主要参考给排水行业规范,但其管径远超出给排水管道,研究大直径回填钢管管土相互作用,完善回填钢管结构设计理论,是当前亟待解决的重要课题.本文建立大直径回填钢管有限元计算模型,假定土体遵守Drucker-Prager屈服准则,钢管与土体交界面采用面-面接触单元,分析了管空、充水和满水工况下管土接触状态、钢管变形、土体位移和管周土压力,并探讨了管径和管土间摩擦系数对管土相互作用的影响.结果表明:管土接触状态在管顶、管腰和管底通常处于黏合状态,胸腔和腋部区域易发生滑动;钢管竖向和水平变形量并不完全相同,充水工况对钢管变形最为不利,满水工况较为有利;管顶土体位移受钢管变形的影响呈"U"形分布,即中间大、两侧小;管周土压力分布在管空和充水工况下较为相似,满水工况下会发生较大变化,土压力在土层交界附近会出现突变现象,其分布形式与Spangler模型存在较大区别;管径增大后,管内水体重力对钢管受力和变形更为不利,故大直径回填钢管设计时应考虑充水工况下的钢管变形;管径越大,管顶土压力平均值越接近棱柱荷载,钢管胸腔到顶部之间土体对管顶土压力影响越显著;管土间摩擦系数对管土相互作用影响较小,非关键因素.     

不均匀场地钢制波纹接头埋地管线地震响应

震害调查表明,地震作用下埋地管线主要发生轴向接头拔出破坏,提升接头变形能力可有效地减轻埋地管线地震破坏。提出一种柔性大变形钢制波纹接头,以土弹簧模型考虑管土相互作用非线性特征,考虑两种力学性能的场地土,采用有限元方法对不均匀场地下埋地管线进行地震响应分析。分别建立有波纹管接头连接和无接头埋地管线有限元模型,数值分析了不同地震动作用下波纹管接头对地下管线应力、能量耗散、内力等的影响规律。结果表明：埋地管线在不均匀场地交界面处最大应力显著增加,波纹管接头可以有效减小管道轴力、弯矩以及von Mises应力。     

直埋供热管道直角弯管热-力耦合分析

针对直埋热水供热管道弯管受力的复杂性,基于土弹簧模型建立了三维热-力耦合有限元模型,分析了直埋直角弯管应力的主要影响因素,给出了缩短弯臂长度的热-力耦合有限元模型。建模中管土相互作用考虑了介质的重力和覆土重力等的作用,弯头管段的边界条件施加在2个弯臂端头。结果表明,直埋弯管在温升作用下的峰值应力远大于内压作用下的峰值应力;直埋弯管的一次应力随管道壁厚、管道埋深的增加而降低,随内压、弯头曲率半径的增加而增加;直埋弯管的二次应力随管道壁厚的增加而降低,随内压、埋深、温升、弯头曲率半径、弯头端部位移的增加而增加;弯头截面竖向椭圆化对弯头是有利的,而横向椭圆化是有害的;地面荷载作用使弯头最大当量应力减小,对弯头起保护作用。该研究旨在为直埋管道的安全性分析提供帮助。     

基于接触单元的埋地管线有限元抗震分析

埋地管线有多种简化计算模型,但计算结果相差较大.管土之间的相互作用可以看成管土接触问题,利用接触单元建立埋地管线及土体三维实体模型,并对地震荷载作用下的管线进行应力计算,给出了最大轴向应力.对比规范方法、理论方法、梁-土弹簧模型、管土接触模型的4种计算结果,现有简化模型的计算结果偏小,偏于不安全.     

低路堤软土地基在交通荷载作用下的动力特性试验研究

设计并制作了低路堤软黏土地基模型。测试了软黏土地基在交通荷载不同强度、不同频率下的动土压力和孔隙水压力;以及土压力和孔隙水压力随深度的变化。获得了低路堤软粘土地基在交通荷载作用下的动力特性发展规律。研究表明:在交通荷载循环作用下,无论荷载强度、荷载频率的大小,软黏土地基的土压力和孔压都是随着埋深的增加而呈衰减趋势。随着荷载频率的增加,土压和孔压的波动变化明显加剧,但压力值并不是随着荷载频率的增加而简单的增长或减小;随着荷载强度的加大,某一深度处土压力受到的最值变化不是很明显,而孔隙水压力却显著的发生了变化。