滚石作用下钢质管道动力响应分析及其应用

落石是导致埋地输气管道破坏的主要载荷形式之一,工程中需要解决落石对管道的动态响应问题,落石对埋地输气管道动力响应问题的本质是落石-土-埋地管道组成的体系在冲击荷载下的动力响应。利用LS-DYNA有限元软件,从管道内压、落石水平距离、管道厚度等方面对落石冲击荷载作用下埋地输气管道的动力响应问题进行了数值模拟研究,得出了管道应力等变化规律。其计算结果对埋地输气管道的风险评估、设计和施工具有一定的参考价值。     

高压输气管道在落石冲击作用下热点应力确定的数值方法研究

崩塌落石是高压埋地输气管道破坏的重要原因之一,对管道在落石冲击作用下的强度校核和安全评定意义重大。文章研究高压输气管道在崩塌落石冲击作用下的动态响应,建立了落石—土—管道相互作用的物理和有限元模型,利用LS-DYNA有限元软件进行数值模拟。采用控制变量法分别考虑落石冲击速度与水平地面夹角α、落地点与管道中心距离d、管道外径D、壁厚t、管道内压P、管道埋深h、落石密度ρ、落石半径r和落石冲击速度v这几个因素对高压输气管道动态响应过程中出现的最大有效Von-Mises应力（热点应力）的影响。提出的计算方法和结果对长距离埋地输气管道设计、施工、防护和风险评估具有一定的参考价值。     

第三方载荷作用下埋地输气管道动力响应的数值模拟

强夯是导致埋地输气管道第三方破坏的主要载荷形式之一.强夯下埋地输气管道动力响应问题的本质是夯锤-土-埋地管道组成的体系在冲击荷载下的整体动力响应.利用LS-DYNA有限元商业软件,基于非线性动力学基本理论和动态算法,在半无限土介质中,通过对动力参数和接触参数的合理设置,在验证某工程实例的基础上,选取适当的本构关系,从夯击能量的大小、夯锤和管道之间的间距和管道表面复土深度三个方面对强夯冲击荷载作用下埋地输气管道的动力响应问题进行了数值模拟研究,得出了埋地输气管道在夯击荷载下的动力响应规律.结果表明,采用数值模拟方法对研究强夯冲击荷载作用下埋地输气管道的动力响应是可行的,其计算结果对埋地输气管道的风险评估、设计和施工具有一定的参考价值.     

滑坡作用对大直径埋地管道的力学性能分析

基于滑坡作用下的地质灾害,使用ADINA有限元软件建立三维有限元模型,设置接触单元来模拟管—土之间的相互作用,对滑坡作用下的大直径埋地管道的力学性能进行分析,分别计算了不同影响参数情况下滑坡土体作用对埋地管道的力学影响,并对各种参数下的应力、应变以及位移云图等进行分析,得到了一些影响参数的规律性结论。     

滑坡带埋地管道力学强度分析

针对西部某滑坡段埋地管道的实际工况环境,开展了滑坡段埋地管道受力的理论分析,由于滑坡带的埋地管道受力非常复杂,因此,用有限元法建立了滑坡段埋地管道与土壤互作用的有限元力学模型,该模型可以方便和准确地模拟埋地管道与土壤的相互作用以及管道不同工况和不同边界条件下的应力和变形。根据该模型,详细地分析和研究了不同斜坡角度和不同滑坡长度下管道内的最大应力、应变的变化,重点分析了西部某段埋地管道的斜坡角度为20?时,管道内的最大应力随滑坡段长度的变化关系,为安全滑坡段长度的设计提供了理论依据,该方法可以在类似的斜坡地段埋地管道中推广应用。     

静/动载作用下埋地管道力学性能的试验分析

针对埋地管道开展了静载和循环荷载试验,综合分析了荷载类型、加载角度、管道外径和管道材质等因素对管道力学与变形性能以及管周土压力分布规律的影响。结果表明:静载作用下,管周土中垂直土压力大小与加载位置关系密切,水平土压力受“土拱效应”影响显著;管道呈现水平向外鼓胀、垂直径向压缩的椭圆状变形,且承压板荷载越大,管道变形越严重,同时管顶“土拱效应”越显著。循环荷载对埋地管道上方土层的沉降影响明显大于静载;改变承压板角度时效果差异明显,当加载范围关于管道轴线对称时埋地管道所受影响显著。对比不同外径和材质的埋地管道,发现当厚径比相同时,管径越大,壁厚越大,弹性模量也越大,管道的抗变形性能也就越好;公称压力相同时,聚丙烯管道抗变形能力强于外径相等的高密度聚乙烯管道。     

地层变形对埋地管道的影响分析

由于埋地管道与土体之间存在管、土相互作用,地震、地面不均匀沉降等地层变形均会导致管道受力、变形而被破坏.管道的位移和力学响应通常与管材、埋深、土质类型等因素有关.通过建立非线性有限元管、土相互作用模型,模拟了钢管、UPVC管和预应力钢筋混凝土管在给定的地层变形条件下的位移和力学特征,并对管道埋深和土质类型等因素的影响进行了参数分析.结果表明,不同材质管道的位移量排序为UPVC管>钢管>混凝土管,浅埋和软地基均可使管道受力和变形减小.     

不同滑坡形式下埋地管的纵向受力分析

滑坡变形带中的埋地排水管一旦开裂破坏,管道中的水将直接渗入坡体中,使坡体变形加速而破坏,因此,在进行滑坡变形带中埋地管的设计时必须考虑坡体变形对管道的影响。本文讨论牵引式滑坡和推移式滑坡两种不同形式下埋地管的纵向受力和变形特性,在一定的假设条件下,推导得出两种形式滑坡中管道的弯矩、剪力、位移以及最大应力。工程实例验证表明:由于推移式滑坡中的管道有被动土压力作支撑,在相同外力作用下,推移式滑坡中的管道应力明显高于牵引式滑坡中的管道;如果在滑坡变形带中采用PVC管,因其纵向伸长率较大,变形控制条件比较容易得到满足,需将强度指标作为设计考虑的主要因素,对最大应力超过管道许用应力的可采取更换强度较高的管材或增加管道壁厚的方法来达到强度要求。     

液化土中管道随机地震响应分析与可靠度评价研究

地震作用下饱和砂土液化会导致埋地管道上浮,引起系统功能失效。为探究液化场地中埋地管道的地震响应和可靠度水平,充分考虑地震动的随机性和非平稳性,提出了基于概率密度演化法和等价极值分布的概率分析方法,从超孔隙水压力、加速度和结构位移变形三方面对埋地管道进行随机动力分析和可靠度评价。结果表明：地震动的随机性对埋地管道的动力响应有显著影响,传统的确定性分析方法可能会低估管道的地震响应,提出的分析方法能较全面地研究管道的上浮机理和可靠度水平;地震作用下,孔隙水压力上升,导致土壤有效应力下降,进而发生土壤液化是管道上浮的主要原因;两侧土壤向管道底部的挤压和指向管底的渗流压力进一步加剧了管道的抬升。最后,基于成灾机理研究了U型碎石排水对埋地管道的减灾效果和机理。提出的随机概率分析方法,可以对管道的上浮机理和可靠度做出较为准确的分析。     

地表错动导致埋地管道破坏的有限元分析

石油天然气工程设计中,埋设在地表以下的管道因滑坡、地面沉陷、断层运动、地震等地表错动而产生变形或破坏,这种破坏直接导致管道全线停气以及安全上的重大隐患.为了防止类似事故的发生,需要研究因地表错动导致管道破坏的机理.用ABAQUS有限元对埋地管道在上述复杂荷载作用下的力学行为进行计算模拟,得出多种特定条件下的分析结论,这种方法比传统的管道破坏性试验的成本更低更有预见性.用ABAQUS有限元方法研究地表断层错动对埋地管道的影响,管道与土壤的相互,作用用PSI单元来模拟,然后由ABAQUS有限元软件进行数值计算.结果表明埋地管道受到地表错动而产生破坏,破坏的主要原因是由地表断层的错动产生滑动面最终导致管道发生塑性变形而破坏.通过研究管道发生破坏时的力学行为,经分析后得出管道工程设计中首先应避开不良地质带敷设管道,其次适当提高管道的刚度,防止管道发生塑性变形而破坏.     

管内水流和地铁振动耦合作用下埋地供水管道的振动响应分析

为研究埋地供水管道在管内水流和地铁振动耦合作用下的振动响应规律,采用ABAQUS建立管道-管内水流和轨道-衬砌-土体-管道整体模型,使用间接耦合的方法实现两种作用耦合,模拟供水管道在距隧道中心线不同距离、不同车速、不同埋深、不同管径条件下的速度峰值和加速度峰值,得出变化规律。分析结果表明:距离隧道中心线距离越大,速度峰值越小,加速度峰值越小;车速越大,速度峰值越大,加速度峰值越大,且存在卓越车速使振动响应达到最大值;当管道与隧道正交且处于上方时,埋深越大,速度峰值越小,加速度峰值越小;管径越大,速度峰值越大,加速度峰值越大。     

国内外埋地管道震害研究现状

<正>通过对国内外埋地管道研究相关文献的分析,将管道震害分析分为理论研究与试验研究两方面,总结两者的不足之处,为今后的理论研究与试验研究提供参考。一、国外研究现状1.理论研究1961年,苏联结构抗震荷载计算规范给出了地下管线动应力的计算公式,假设在地震波的作用下,管-土共同作用产生相同的应变关系。随后Newmark提出管道在地震波作用下的解析分析     

埋地管道在落石冲击作用下的数值模拟

采用刚体离散单元法进行数值模拟,对落石垂直冲击管道正上方时的管道受力特性进行了分析,得出在冲击荷载作用下土体竖向应力在管道表面集中且向两侧速减,同时管体形变为不规则的椭圆体,以及冲击过程是瞬间过程的结论,并得出可以通过加大管道埋深的办法来保护管道。     

滑坡条件下埋地管道的应力分析

根据滑坡体与埋地管道的管-土作用原理,提出横向滑坡和纵向滑坡条件下管道外载的计算方法,基于壳单元和土弹簧单元,建立两种工况下管道的有限元计算模型。管道受拉压作用而存在三个应力集中区,分别处于两端和中部。除滑坡规模等常规因素外,横向滑坡两侧场地土体性质对管道的受力和变形有明显影响。     

温度和基坑开挖耦合作用下埋地管道变形规律研究

为研究温度和基坑开挖耦合作用下埋地管道的变形规律,建立管道-地层-基坑支护模型,采用有限元分析软件ABAQUS进行非线性求解。通过改变基坑不同开挖步骤地层的温度实现温度与基坑开挖耦合,分别模拟了不同管径、壁厚、埋深条件下埋地管道的变形情况,得出了不同影响因素下埋地管道垂直沉降位移和水平位移变化规律。分析结果表明:在温度和基坑开挖耦合作用下,埋地管道的水平位移大于垂直沉降位移,而且位移最大处发生在基坑的中部;管径越大,埋地管道的垂直沉降位移和水平位移越小;管壁越厚,埋地管道的垂直沉降位移和水平位移越小;埋深越大,埋地管道的垂直沉降位移越小,水平位移越大。     

埋地燃气管道失效风险的时间效应预警模型

埋地燃气管道失效风险预警在制定防控预案保障管道安全运行中占据重要地位,为提高多因素影响下埋地燃气管道的失效风险预警水平,提出埋地燃气管道失效风险的时间效应预警模型。该模型将管道失效风险的时间效应纳入失效预警体系构建中,采用灰色系统理论分析埋地燃气管道失效影响因素的时间效应,开发多因素影响下的综合失效概率时间效应预测模型并应用失效概率转换函数将估计失效概率转换为年失效概率,实现燃气管道失效风险级别与预警等级的快速判定。作为实例将该模型应用于常州市埋地燃气管道的失效风险预警,结果证明该模型高效可靠。     

多位置分布配重下引导式落石缓冲系统冲击防护性能研究

引导式落石缓冲系统旨在约束落石运动轨迹和衰减落石冲击能量,以防止落石灾害的发生。为研究该系统的耗能性能,开展实验室条件下的落石冲击试验;基于对防护网变形特征的分析,设计多位置分布配重方案。在此基础上,建立防护系统的数值计算模型,对更高速率落石冲击下系统的响应进行了研究,进而模拟系统对多落石连续入射和多落石同时入射两种工况的防护过程。研究结果表明,多位置分布配重对引导式落石缓冲系统的防护性能有较明显的提高,试验得到的落石速率衰减率最多提高了20.02%,动能衰减率最多提高了21.56%;在防护网上不同位置配重对系统防护性能的提高程度不同,表现为越接近落石入射位置,提高程度越明显,同时,通过多位置分布配重,引导式落石缓冲系统对落石高速冲击和落石连续、同时冲击的防护能力增强。研究成果可以为引导式落石缓冲系统的设计和工程应用提供参考。     

基于ABAQUS软件盾构法隧道施工中埋地管道力学规律研究

为研究盾构法隧道施工作用下埋地管道的力学性能,建立地层、埋地管道和隧道衬砌的整体模型,采用有限元分析软件ABAQUS进行非线性求解。分别模拟了不同管径、壁厚、埋深条件下的埋地管道应力应变状态,得出在不同影响因素下管道Mises应力和纵向位移的变化规律。分析结果表明:在盾构法隧道施工作用下,管径和壁厚对埋地管道应力应变状态有较大影响,管径越大,管道Mises应力越大,纵向位移越小;壁厚越大,管道的Mises应力越小,纵向位移越小;当管道处在隧道上方时,一定埋深范围内,埋深对埋地管道的应力应变状态影响较小,管道的Mises应力和纵向位移随着埋深的增加虽有增加但增加并不明显。     

地层沉陷中埋地HDPE管道力学状态及模型试验分析

地层沉陷致埋地HDPE管道事故频发,主要原因之一是地层沉陷过程中所诱发的管道附加应力和变形剧增,从而导致管道破坏。已有研究成果大多集中于固定尺寸沉陷区域管道与周围土体力学特性的分析,尚无相关理论预测沉陷发展过程中管道力学响应特征变化规律。利用自制室内足尺大型模型试验系统,以粗砂为管道开挖沟槽回填料,通过调整模型箱底板的下沉模拟地层沉陷形成过程,研究埋地HDPE双壁波纹管道的受力变形特性及其上覆回填料土体的沉降分布规律。试验结果表明:1地层沉陷过程中HDPE管道的竖向变形符合修正高斯分布曲线;2随着土体沉陷的发展,管道顶部土压力随之增大,且试验管道顶部的土拱率由0.7增大到2.05,呈现出明显负土拱效应;3对于相同抗弯刚度管道,土体沉陷变形所致管道附加变形随管道上覆土层厚度的减小而减小;4随着管道抗弯刚度增加,埋地管道对于土体的沉降抑制作用愈加明显。     

落石冲击作用下钢筋混凝土棚洞结构的动力系数研究

以钢筋混凝土棚洞为原型,通过ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件,考虑在不同能量的落石冲击不同位置的情况下,分析了钢筋混凝土棚洞的动静力响应及其冲击动力系数,得到了弹塑性状态下棚洞冲击动力系数的变化规律。据此,棚洞结构的动力冲击设计可转化为落石的静力荷载作用下的设计,即通过钢筋混凝土棚洞结构在落石静力荷载作用下的最大响应乘以考虑了能量因素的冲击动力系数可以确定落石冲击作用下钢筋混凝土棚洞结构最大动力响应。