高水位软弱地层条件下大直径钢顶管稳定性

顶管在顶进过程中发生的失稳破坏已严重威胁工程的安全施工。以中交二公局第四工程有限公司承担的石岩北清污分流钢顶管工程项目为依托,基于薄壁圆柱壳屈曲理论,通过改变长细比、径厚比和埋深等影响因素对大直径钢顶管应力、屈曲模态和屈曲荷载进行分析。分析结果表明：钢顶管稳定性随长细比(顶管长度与管道外径的比值)的增加而减小,长细比<30(短顶管),易发生局部屈曲破坏,长细比>30(长顶管),易发生整体失稳破坏;在均布围压作用下,钢顶管屈曲模态以局部屈曲为主,其稳定性随径厚比的增加而减小;钢顶管实际稳定系数随埋深变化由管周围压和椭圆化变形共同决定。基于以上分析结果,提出了大直径钢顶管稳定性系数经验公式,结合工程实例进行验证,具有良好的指导意义。     

某大型电除尘器钢支架的极限承载力分析

建立ANSYS有限元计算模型,对钢支架结构在最不利工况下的静力、特征值屈曲和非线性屈曲特性进行了分析与论证.计算了设计荷载作用下结构的变形、内力、截面应力以及结构的前4阶屈曲模态及相应的特征值屈曲荷载,给出了完善结构和有缺陷结构的非线性荷载位移曲线及极限承载力.结果 表明,应用ANSYS软件所建立的模型和采用的计算方法合理,计算结果具有较高的精度,所论证的钢支架结构是一种可靠和稳定的结构承载体系.     

超大类矩形断面复合顶管施工力学性能研究

依托上海轨道交通14号线静安寺站工程，介绍了超大类矩形断面钢-混凝土复合顶管的结构构造、加工制作与施工监测方案，重点分析应力监测数据并结合数模结果揭示了管节在顶进及后续施工中的受力性能，以此来研究大埋深软土地层中新型超大断面顶管的施工力学特性．结果表明：对于顶管中的任一管节，钢板与纵向肋板的应力在该管节顶进初期与全钢管顶推完成时出现较大波动，而中间段基本稳定在某一数值，且钢板轴向受力相比环向受力对管节纠偏更敏感；同一顶管不同管节在施工过程中的应力和位移分布一致：应力分布较为均匀，峰值应力位于顶推面拐角附近；变形趋势为竖向内凹、横向小幅外凸，峰值形变位于竖向跨中；管节峰值应力随顶管推进逐步增大，但均未超过弹性极限，峰值形变保持稳定；钢板的环向应力由水土压力控制，应力分布为上部受拉、左右受压，轴向应力由顶推力控制，其中竖直方向上的轴向应力也受管节竖向偏转和外壁环向荷载的影响；纵向肋板的轴向应力在水平方向上由顶推力控制，在竖直方向上由外壁环向荷载控制；后续施工过程中，顶管受力相对稳定．影响范围方面：注浆加固对钢板和纵向肋板的受力均有较大影响；管节环向焊接主要对钢板的环向与轴向受力有较大影响；...     

软土中超大直径钢顶管施工顶进及运营温差下的受力特性测试

为了研究钢顶管在施工及运营阶段的内力特征,采用现场测试的方法,依托黄浦江上游水源地连通工程,对深覆软土、长距离顶进、内径4m的钢顶管在施工荷载和温差作用下的环向、纵向应变进行监测.分析实测结果表明:管道固定截面随顶进距离增加受力状态改变较小,不同截面中靠近机头处受到顶力的影响较小;纵向应力主要受顶力影响,以受压为主,环向应力主要受到管道埋深影响,深覆软土情况下,管道顶部环向可能出现拉应力,左右受压为主;纵向和环向应力之间相互影响,埋深较大时影响较为明显,长距离顶进下顶进偏心对管道应力有较大影响;顶力的施加会使纵向应力产生较大波动,顶力撤除应力恢复平稳;大直径钢材管道在温差6℃时,温度应力达25MPa左右,环向、纵向区别较小,不影响正常运营,但仍需谨防极端温差下可能造成的破坏.     

考虑SD效应及初始缺陷影响的钢压杆弹塑性稳定分析

考虑钢压杆一般存在初变形和初偏心等初始缺陷及钢材拉压强度的差异,基于Jezek法推导在轴向偏心荷载作用下钢压杆弹塑性失稳破坏时的极限荷载公式.通过探讨SD效应、长细比及初始缺陷等因素对钢压杆弹塑性失稳破坏极限荷载的影响规律,拟合得到了两端简支的矩形截面钢压杆弹塑性极限荷载近似计算公式;所得解析理论与近似计算公式可以蜕化求解带初弯曲的轴压构件、带初偏心的压杆、理想的中心受压杆及压弯构件考虑SD效应时的弹塑性极限荷载.分析结果表明:考虑SD效应时钢压杆的弹塑性稳定极限荷载提高10.5%~12.2%.因此,在实际工程中考虑SD效应可以使钢压杆的强度得以充分发挥.     

平-竖双曲轴线钢箱梁平移顶进时力学性能分析

针对曲线钢箱梁顶进过程中可能存在的非同步受力问题,为更全面了解空间变轴线钢箱梁桥在顶进过程中的力学性能,本文建立了空间变轴线钢箱梁桥的壳单元计算模型,对7种工况下的钢箱梁的应力、应变以及屈曲特征值进行了计算分析,结果表明钢箱梁平移顶进时,各工况下钢箱梁主体结构的应力小于20 MPa,与无顶推力相比,钢箱梁一阶屈曲模态的最大变形位置没有改变,屈曲特征值仅改变了0.1,说明顶推力对曲线钢箱梁的屈曲稳定性影响很小,安全。本研究可为同类工程提供参考与借鉴。     

深埋曲线钢顶管接触压力现场监测试验分析

为了研究深埋条件下曲线钢顶管接触压力分布和变化规律,以拱北隧道曲线顶管管幕工程为背景,通过对曲线顶管施工现场监测的接触压力进行分析.结果表明:顶进力随顶进距离的增加基本呈线性增长,且中粗砂地层单位面积摩阻力大于砂质黏性土地层;接触压力顶进时发生波动并增大,顶进停止后逐渐趋于平稳,在浮力和顶进力侧向分力作用下,管道顶部和底部的接触压力数值较为接近,且顶部接触压力略大于底部压力,水平位置管道弯曲内侧接触压力小于弯曲外侧;附加接触压力随着掘进面与监测断面距离减小而增加,机头穿过监测断面后,已顶管道水平位置附加接触压力减小,而顶部接触压力由于土拱效应反而持续增长.     

软土中大直径顶管管道受力特性测试

采用现场实测方法,对深覆软土、长距离顶进、外径4.64m钢筋混凝土顶管的管壁接触压力和环向钢筋受力进行了测试,并与已有文献研究进行对比分析.结果表明:顶管在良好泥浆套中顶进时,管壁接触压力整体分布较均匀,注浆时呈突然增大变化,停顶后逐渐恢复正常水平;管道环向钢筋以受压为主、应力不大,其变化由管道轴向偏移和注浆控制,测试阶段管道受力状态以偏心受压为主;管壁接触压力实测值与按规程计算的设计值相比,管顶处相近、管侧处实测值略大、管底处实测值较小,规程的土压力分布模式用于管道设计计算偏于保守.     

单层球面网壳结构稳定若干分析

利用大型通用有限元软件ANSYS对一个40 m跨度的单层K8网壳进行了分析。分析包括静力稳定分析和动力稳定分析。静力稳定分析方面有线弹性屈曲分析、几何非线性稳定分析以及双非线性稳定分析。计算了不同的缺陷下网壳的极限荷载因子,分析了网壳的缺陷敏感性,探讨了采用理想弹塑性模型模拟钢材Q235的合理性。动力稳定分析方面有模态分析和瞬态动力分析。针对网壳是否考虑静荷载作用分别进行模态分析,考察了静力荷载产生的应力和变形对结构的自振频率的影响。采用taft波,并分别用比例调幅为0.3 g和0.4 g,再对网壳进行瞬态动力分析,比较其动力响应,得出了对工程结构设计有用的结论。     

循环荷载下压弯钢构件弹塑性弯扭屈曲的有限单元法

根据板壳非线性有限元基本理论,提出了压弯钢构件在循环荷载作用下弹塑性弯扭屈曲分析的有限单元法,并编制了计算程序,通过将计算结果和其他分析比较,对本文的理论进行了验证。结果表明,本文所提出的方法,可以对压弯钢构件在循环荷载作用下的弹塑性弯扭屈曲进行较精确的计算分析。     

Buckling behavior of pipes in oil and gas wells

Based on the non-linear differential equations of buckled pipes, the buckling behavior of pipes in different wellbores has been analyzed. The relation between the deflection of buckled pipe and the loads on it has been given, and the critical loads for sinusoidal and helical buckling within different wellbores subjected to axial and torsional loads have been determined. Therefore, the profile of load increase during the post-buckling process and the bending moments in the buckled pipe can be determined. In addition, the effects of down-hole packer as fixed end on the helical buckling behavior of pipes have been investigated. These results can be applied to the related engineering design and construction. Keywords: sinusoidal buckling, helical buck     

水平井段管柱屈曲与摩阻分析

利用有限差分法和Newton迭代法 ,计算了斜直井段管柱螺旋屈曲临界力、沿螺旋段分布的管柱与井壁接触力以及后屈曲平均侧向接触力。分析了钻杆接头对水平井段钻柱屈曲临界力和弯曲应力的影响 ,提出了计算钻柱正弦屈曲临界力的新方法。结果表明 ,当轴向压力较小时 ,钻杆接头引起钻柱弯曲应力 ;当轴向压力较大时 ,接头会抑制螺旋屈曲的发生 ,降低钻柱的弯曲应力。另外 ,给出了水平井段钻柱出现反转的判别式。     

GFRP管轴心受压性能的试验研究

纤维增强复合材料（FRP）具有高强轻质和耐腐蚀的优点，适合于腐蚀环境和大跨轻质结构．针对大跨度空间网格结构中的杆件，对拉挤玻璃纤维增强复合材料（GFRP）圆管的轴心受力性能进行了试验研究．首先通过短管受压试验得到了GFRP管的基本力学性能参数；然后进行了4组不同长细比共12根GFRP长管的轴心受压试验，研究了其稳定性能．最后根据文献和试验结果，提出了基于Perry公式的GFRP管轴心受压屈曲破坏承载力的计算公式．能较好地预测GFRP长管的轴压屈曲破坏．     

阶跃荷载下功能梯度材料圆柱壳的非线性动力稳定性

针对阶跃轴压和阶跃侧压下功能梯度材料圆柱壳的非线性动力屈曲问题,由能量原理推导非线性动力平衡方程,采用变步长四阶Rugge-Kutta法进行求解,得到结构的响应曲线,结合B-R动力屈曲准则给出屈曲临界状态.数值结果表明:阶跃荷载下结构变形存在一占优模态,该模态相应的结构响应发生最早,且幅值最大;阶跃轴压和侧压荷载下结构的非线性动力屈曲荷载与其相应的线性静力屈曲荷载十分接近;在阶跃轴压荷载情况下,动力荷载将激发比静力荷载更高阶的屈曲模态;增加陶瓷组分含量将提高结构的动力屈曲荷载;线性温度分布与实际热传导温度场得到的临界荷载较为接近.     

双钢板-混凝土组合墙局部屈曲性能试验

进行了4片双钢板-混凝土组合墙轴向受压试验,分析钢板强度和距厚比(抗剪连接件间距与钢板厚度比值)对外钢板局部屈曲位置、临界荷载、破坏类型的影响规律。结果表明:在竖向的2个连接件和4个连接件中部位置的钢板容易发生屈曲,且钢材强度越高,防止试件发生屈曲先于屈服局部弹性屈曲破坏的距厚比限值越小;距厚比仅对构件的破坏类型、局部屈曲的临界荷载影响较大。在试验研究基础上,采用理论分析,推导了防止钢板发生局部弹性屈曲破坏的距厚比限值公式,并采用国内外试验研究数据和数值模拟分析方法对公式的适用性进行验证,进一步修正了防止双钢板-混凝土组合墙发生局部弹性屈曲破坏的距厚比限值设计公式。     

浅层顶管施工引起地面沉降的预测

在软土地层中顶管施工所引起的地面沉降常常会造成邻近建筑物和地下管线的移动甚至破坏－ 通过对土与顶管的受力及变形的分析,在施工前预测特定顶管工程可能引起的地面沉降的幅度及其形态－ 理论分析和现场实测显示,顶管施工时管节周围土的运动是三维的－ 建立了处理上述三维问题的简便计算方法－ 基于半解析元法将顶管施工中三维土运动问题转换成一维数值计算－ 在轴向离散而在环向和径向取解析函数,建立了半解析单元的位移函数－ 给出了包括位移函数、刚度矩阵和荷载矩阵在内的理论分析过程－ 计算结果表明,半解析元法对于计算顶管施工中的地面沉降是行之有效的方法－ 根据分析与计算结果得到一些有价值的结论,包括结构与土的相互作用而言,顶管管节相当于隧道的衬砌－ 虽然顶管施工引起的地面沉降的沉降槽也近似于误差曲线,由于土的粘塑性变形,地面沉降的幅度在施工过程中是变化的－     

泡沫铝填充钢管横向压缩吸能特性试验

为了解填充泡沫铝对钢管吸收能量的影响及其能量吸收特性,通过试验方法研究了单个空钢管与泡沫铝填充钢管的准静态横向压缩性能及吸能特性。研究结果显示:空钢管在横向压缩作用下,其名义应力应变曲线关系与多孔金属材料比较相似。相同壁厚的钢管在横向压缩下,管径越大,其名义屈服应力越小,平台段越长。填充泡沫铝能改变其变形机制,提高钢管在横向压缩下的屈服应力值,较大地提高其能量吸收性能。泡沫铝密度对这种性能的提高影响较小,而钢管的直径对其影响较大。     

阶跃载荷下功能梯度材料圆柱壳的非线性动力稳定性

本文研究了阶跃轴压和阶跃侧压下功能梯度材料圆柱壳的非线性动力屈曲问题。非线性动力平衡方程由能量法推导,并采用变步长四阶Rugge-Kutta法进行求解,得到结构的响应曲线,结合B-R动力屈曲准则给出屈曲临界状态。数值结果表明：在阶跃载荷作用下,存在一结构变形的占优模态使得结构响应最早发生,且其幅值也最大。阶跃轴压和侧压载荷下结构的非线性动力屈曲载荷与其相应的线性静力屈曲载荷十分接近。在阶跃轴压载荷情况下,动力载荷可能激发比静力载荷更高阶的屈曲模态。此外,文中还讨论材料组分与多种热环境对动力屈曲的影响。     

带翼缘板圆钢管顶进过程地表变形研究

采用带翼缘板圆钢管顶进形成地下管幕支护空间,相比传统的顶管工法具有诸多优点,已被用于建造城市地下空间.但由于翼缘板的存在,导致管周土压力分布复杂,顶进引起的地表变形与圆形顶管差异较大.基于此,在带翼缘板圆钢管管周土压力作用机理研究基础上,采用弹性力学Mindlin解推导出带翼缘板圆钢管顶进过程管周摩擦力引起的地表变形计算公式.基于沈阳地铁九号线奥体中心站暗挖段带翼缘板圆钢管顶进工程,采用Midas有限元分析软件对带翼缘板圆钢管顶进过程进行数值模拟计算.得出带翼缘板圆钢管顶进过程中,横截面地表变形呈“U”型沉降槽,纵截面监测点地表变形随顶管扰动逐渐增大,顶进截面超过监测面一节管长后地表变形趋于稳定;并分析了不同土体黏聚力、内摩擦角对顶进过程地表变形的影响.     

水平井眼中管柱变形方程的实验仿真

以已有的三维井眼中管柱正弦屈曲和螺旋屈曲行为分析模型软件为基础 ,根据物理相似原理 ,设计了井眼中管柱屈曲变形的小尺寸模拟实验装置 .通过改变管柱变形微分方程中包含的无因次轴力 β、无因交摩擦及数 γ1和无因次轴力分布系数 γ2 的值 ,利用该装置对管柱在水平井中的临界载荷、载荷传递效率、变形效应等进行模拟实验 .试验结果表明 :钻压传递、位移与载荷的实验结果与理论计算值之间的最大差值不超过 1 0 % ,临界屈曲载荷的理论值与实验值之差不超过 6% .本文的结果可为修正理论模型提供指导 ,使理论模型能更好地指导现场的油井管柱施工作业