埋地悬空管道弹塑性受力分析与计算

埋地管道在各类地质灾害的作用下,可能导致管道下方土层塌陷或流失,使管道局部处于悬空状态,严重威胁管道的安全运行.首先,基于弹塑性地基梁理论,根据管道不同受力情况将管道划分为悬空段、塑性段和弹性段,分段建立管土相互作用下管道挠曲微分方程,并结合边界条件和连续条件给出悬空管道挠度和内力的求解方程;其次,采用遗传算法求解悬空管道挠度,以提高计算效率与计算精度;最后,忽略管道的轴向荷载,推导出悬空管道塑性区长度上限值.算例分析表明,与文献中的悬空管道力学模型相比,理论解与有限元数值模拟吻合最好,可用于工程设计与分析.     

横向滑坡作用下埋地管道静力学与数值模拟对比分析

长距离输油管道周围环境复杂,灾害频发,其中滑坡地质灾害对埋地管道的长期安全运行构成了极大威胁.因此,研究滑坡作用下埋地管道的力学特性就极为重要.基于Winkler弹性地基梁模型和滑坡推力横向分布模型,考虑温差、内压及推力等因素引起的当量轴力的作用,建立横向滑坡作用下埋地管道受力变形的简化力学模型,根据对称条件、边界条件...     

考虑埋深效应的弹性地基中梁分析

采用变分原理,给出了可考虑埋深影响的弹性地基中梁受力和变形的解析方法.弹性地基采用改进Vlasov双参数模型模拟,通过对地基 - 梁系统的最小势能取变分,导得了梁的变形控制微分方程,并得到了与地基梁埋深相关的形状参数.结合边界条件,采用迭代方法可对梁和地基的变形进行求解.通过算例进行了参数分析,探讨了埋深比对形状参数、位移竖向衰减函数以及地基梁的内力和变形的影响.结果表明,随着梁埋深比的增加,形状参数和位移竖向衰减函数减小,梁的竖向位移和沉降均有所减小.     

复杂应力状态下埋地大口径管道沉降分析

结合上海轨道交通7号线5标区间隧道在盾构推进施工过程中所遇到的复杂问题,探讨复杂状态下大口径埋地管道在受扰动情况下由于土体二次固结而引起的沉降问题.运用非全固结-梁理论和里茨差分法分析大口径埋地管道的沉降随地基系数、埋置深度、管道自身管径以及盾构与污水管距离的变化趋势,分析管道管节间搭接的安全性.通过理论分析,对其他工程中埋地管道及地铁隧道在土体固结沉降和二次固结沉降等问题的解决提供帮助.     

滑坡作用下埋地管道的弹塑性地基反力解析法

目前关于弹塑性地基中滑坡段埋地管道的解析计算研究较少,计算结果不够精确。为探讨滑坡段埋地管道与土体接触的非线性特征,基于地基反力法,采用简化的弹塑性本构模型来模拟非线性管—土的相互作用,提出了埋地管道与土体相互作用的弹塑性地基反力解析法控制方程组,根据管道变形的连续性条件及边界条件求得管道挠度和内力的解析解,对管道变形和内力进行计算。结合算例进行分析,选取不同参数,探讨了地基反力系数k0对管道变形和内力的影响。研究结果表明：随地基反力系数的增大,管道最大挠度、滑体中部管道弯矩及Mises应力逐渐减小,滑坡周界处管道弯矩及Mises应力逐渐增大;地基反力系数增大,土体对管道约束作用加强,从而引起管道挠度和内力的变化。与Winkler 地基反力法相比,基于弹塑性地基反力法的滑坡作用下管道力学分析理论上更为严谨,有效地提高了计算精度。     

基于正交多项式的旋转梁集中动载荷识别研究

针对受集中动载荷旋转弹性梁的识别模型,以广义正交多项式序列作为基函数拟合集中动载,将输入载荷的识别转化为正交多项式系数的求解.为了辨识未知集中力,建立了时域下旋转连续梁的动载荷识别理论.数值算例表明:该识别方法简便有效,精度较高,可运用于实际工程中.     

地层塌陷区段埋地管道变形与应力分析

已有文献都是基于Winkler地基梁模型来研究塌陷以及悬空等对管道安全的影响,还没有采用其他力学分析模型的报道.分别采用Winkler和理想弹塑性地基梁模型,研究地层塌陷对管道安全的影响.建立了管土相互作用的几何大变形力学分析模型,采用非线性理论对力学模型求解.分析结果表明:在管道的屈服应力较小的情况下,为简化工程计算可采用Winkler模型计算临界塌陷区长度,较弹塑性模型简单,便于工程应用;当地层塌陷区长度较小时,为简化计算可采用Winkler模型分析管道的变形与应力;弹塑性模型可忽略土弹簧刚度对管道分析结果的影响,而Winkler模型则要考虑土弹簧刚度对其的影响.给出了使管道失效的临界地层塌陷区长度,所得结果可供工程设计参考.     

采动影响下浅埋输气管道与土体耦合作用机理

针对地下煤炭开采对采空沉陷区内浅埋输气管道变形破坏的采动影响,根据采动过程中埋地管道与土体相互作用的基本特征,将采动过程中管土相互作用划分为管土协同变形、管土暗悬空和管道明悬空3个阶段。根据各阶段中埋地管道的力学特征,分别采用弹性地基梁、均布载荷作用下的弹性梁和纵横弯曲弹性梁模型对非沉陷区的管道、沉陷区内处于协同变形的管道和沉陷区内处于悬空状态的管道进行力学分析,建立各阶段下埋地管道的分段弹性梁力学模型;并结合各分段弹性梁的边界条件,分析各阶段下管土相互作用的极限状态,得到埋地管道失效的临界判据,进而建立采动影响下浅埋输气管道与土体作用机理分析方法。     

基于第二代小波的杆、梁单元构造研究

针对第二代小波尺度函数无显式表达式的缺点,提出采用PsdVoigt2函数进行拟合的方法,根据小波有限元及第二代小波理论,利用第二代小波尺度函数取代传统有限元多项式插值函数,通过转换矩阵将小波插值系数转换到物理空间,构造出形函数,并利用该方法构造一系列杆、梁单元。通过不同算例对构造的第二代小波杆、梁单元进行精度验证。计算结果表明,构造的第二代小波单元在求解变形和应变时精度较高,丰富了小波有限元单元库。     

对称荷载作用下弹性地基梁的傅里叶级数解

考虑地层位移荷载及梁与地基可能产生的脱空,针对长度在沉降槽内和长度延伸到沉降槽外的2种梁建立了弹性地基梁对称问题的数学模型.利用阶梯函数及脉冲函数,在所建数学模型基础上推导了求解弹性地基梁挠度的傅里叶级数系数的线性方程组,提出了计算方程组中脱空范围这一多余未知量的迭代步骤,利用有限元数值解对傅里叶级数解进行了验证.结果表明,傅里叶级数解精度高,可以作为带有脱空弹性地基梁问题的解析解,要达到相同的精度,傅里叶级数解的计算量远比有限元解的计算量小.此外,脱空范围的大小,不随级数项数的多寡而改变.傅里叶级数解法不但精度高,而且能够灵活处理不同形式的荷载,是求解复杂荷载条件下弹性地基梁问题的有效解析方法.     

岩石坍塌作用下埋地集输管道应力变化规律

基于弹塑性力学理论,采用有限元分析方法,建立了岩土坍塌作用下埋地集输管道分析模型,研究了岩石坍塌作用下不同因素对埋地集输管道应力影响规律.结果表明:冲击载荷随石块边长的增加呈指数形式上升,正方体边长改变1.4 m时,冲击载荷可改变22.4 MPa.运行压力、温度、管道铺设坡度对管道壁面应力影响较小,而冲击载荷、腐蚀是埋地集输管道安全的主要影响因素.当冲击载荷大于10.5 MPa时,管道进入塑性变形区.岩石坍塌冲击载荷较大时,管道壁面最大等效应力随着管道径厚比的增加而减少.当径厚比改变了3.8,管道壁面最大等效应力可减小44 MPa;当岩石坍塌冲击载荷较小时,管道壁面最大等效应力出现极小值点.     

地下爆炸对埋地输气管道冲击响应的数值分析

通过适当选取材料本构关系,运用非线性动力学基本理论和ALE算法,利用LSDYNA3D有限元程序,对爆炸地冲击作用下引起埋地输气管道的动力响应问题进行了数值模拟分析。通过埋地管道在2组共10个工况下的数值计算分析,拟合了埋地管道响应(包括速度和动应力)最大值和装药量、爆心与管道中心距离之间的关系。模拟计算结果与经验公式规律十分吻合,表明采用数值模拟方法研究爆炸地冲击对埋地管道的作用是可行的。计算方法为埋地管道在第三方破坏荷载作用下的风险评估提供了一个计算平台,计算结果对埋地输气管道的风险评估和防灾减灾具有重要的参考价值。     

车辆荷载作用下埋地管道动力响应分析

铺设在农田、荒地的埋地管道容易受地面车辆荷载的影响,管道在其作用下一旦达到强度极限就会产生安全问题。本文建立车-管-土耦合模型,分析车辆荷载作用下埋地管道的动力响应,得到不同时刻埋地管道的应力分布规律。再建立管道减荷有限元模型,分析不同轮压下承压板宽度对管道减荷的效果,得到管道中部等效应力与承压板宽度的对应关系。结果表明：埋地管道任一点处的力学响应与车辆荷载作用点的距离成负相关,承压板宽度与其对埋地管道的减荷效果成正相关,不同宽度的承压板存在承载力极限。该研究结果为车辆荷载作用下埋地管道的减荷提供了参考依据。     

直槽沟埋式管道的垂直土压力计算模型

针对沟埋式管道中的钢塑转换结构件受到土壤载荷作用,容易发生断裂与变形而导致结构件失效,进而导致管道发生泄漏的问题,运用双剪切统一强度理论,推导并建立了适用于刚、柔性埋地管道的垂直土压力计算模型,通过算例对所建模型的有效性进行了分析与验证.研究结果表明:该模型考虑了主应力和回填土的影响,相较于马斯顿理论,该模型计算的压力降低了40%,为直槽沟埋式管道的垂直土压力计算提供一种新方法.     

成品油管道的极限悬空长度研究

长输管道沿线地质地貌错综复杂,自然条件恶劣,外界载荷（如地质滑坡、坍塌、疏松土壤沉降、湿陷性黄土、地震、水毁等）导致大跨度悬空,轻则引起管道大变形,大面积悬空、局部变形或应力集中,而导致较大的位移应力、屈曲或蠕变,严重时甚至导致管道断裂破坏,给管道运营带来安全隐患。针对2010 年兰成渝输油管道德阳石亭江段洪水导致管线大面积悬空案例,以物理数学方法中的非线性理论为指导,通过有限元仿真建模及试验研究,借助大挠度梁理论、弹性地基理论、管–土互作用双线性模型、Winkler 假定等力学理论,考虑管道的几何非线性和土壤的物理非线性,建立了悬空管道的大变形分析模型,分析计算了X52 管材的极限悬空长度,为管道完整性管理提供理论基础。     

横向联系损伤的既有T梁桥安全性分析

以一座既有钢筋混凝土简支T梁桥为例,分析采用不同横向联系模拟方式时有限元理论挠度与静载试验实测值之间的相符性,并采用直接概率分析法计算结构可靠指标,研究模型拟合程度对桥梁安全评价结果的影响,提出了荷载试验和可靠度理论综合评估方法,采用以实测值标定的理论模型进行结构可靠性分析,保证了基本随机变量统计参数的准确,实现存在横向联系损伤的T梁桥承载能力的正确判断。     

地基塌陷过程中埋地管线的有限元分析

地基塌陷往往影响埋地管线的正常使用和安全,针对这一课题,在室内模型箱试验的基础上采用Ansys软件建立有限元模型,应用单元生死技术模拟了土体塌陷范围不断扩大的过程,得出随着地基塌陷埋地管线内应力及沉降的变化过程曲线。通过与室内试验数据对比,证明了本数值模拟方法的可行性。进而又通过图像分析找出了管线的控制截面及控制力,并研究了埋地管线的壁厚和下卧层土体刚度在地基塌陷过程中对管线变形的影响规律,得到了一些具有工程实际意义的结论,为沉陷区域埋地管线设计和数值分析提供理论依据。     

有固定墩钢质管道冲沟状态下动荷载失效长度数值分析

通过对有固定墩钢质管道在地质灾害冲沟发生时管道失效过程的研究,建立了描述这一破坏过程的力学模型;再利用ANSYS有限元分析软件,建立了埋地管道有限元数值分析模型。通过输入地震波,对不同地震烈度下的地震响应进行了有限元数值仿真计算,得到了在不同地震动荷载作用下管道的最大应力和位移情况,给出了管道动载失效长度,为管道的抗震设计提供理论依据。