海床土体减缓坠物对海底管道撞击作用的研究

海底管道受坠物撞击的损伤分析中,海床土体是不宜忽略的因素。基于耦合欧拉-拉格朗日算法（CEL法）,该文建立了模拟坠物撞击海底管道过程中土体变形的有限元模型,并进行了物理模型试验,二者结果吻合较好。针对粘土海床,分析了海床柔性、海床土质、管道埋深、摩擦及坠物形状对海底管道损伤的影响。研究表明:对于裸置管道,海床柔性使一部分撞击能量转化为管道的整体变形,减轻管道局部损伤;对于埋置管道,基于软件的二次开发,考虑了正常固结粘土及均质粘土两种情况,二者的安全埋深相差较大。综合考虑上述土质的影响,2 m的埋深可提供有效的保护;埋深超过1 m时,坠物与土体间的摩擦系数对管道损伤的影响更加明显;形状尖锐的坠物受到土体的阻力较小,对管道造成的损伤程度较大。不同形状的坠物撞击管道时,管道的变形特征存在差异。研究结果对管道的风险评估及安全埋深设计具有指导意义。     

基于非线性有限元和响应面方法的海底管道受坠物撞击损伤的风险分析

海底管道受撞击过程涉及非线性及管土耦合(海床柔性,埋深)作用,传统的风险分析方法难以考虑上述因素,无法有效指导工程设计。针对上述问题,同时考虑到相关变量的随机性,提出了海底管道受坠物撞击损伤的可靠度分析模型。基于Python二次开发技术将非线性有限元分析方法与响应面法耦合,构建结构的极限状态曲面并求解相应的失效概率。将有限元分析结果及失效概率估计值分别与物理模型试验值和Monte Carlo法的估计值进行对比,验证了模型的合理性。结合工程实例,分析海床柔性、埋深对管道失效概率的影响,并对相关随机变量的敏感性进行分析。结果表明:该模型可以考虑复杂非线性因素,更加精确地估计失效概率;考虑海床柔性时,管道的失效概率可降低至不考虑该因素时的千分之一;为降低坠物损伤风险,应结合工程海域的冲击能量确定管道的合理埋深;作为随机变量的管道钢材料屈服强度、壁厚、管径,三者的变异性对失效概率的影响依次降低。研究结果对管道的风险评估及安全埋深设计具有指导意义。     

海底管道受坠物撞击的三维仿真研究

采用三维非线性有限元法模拟海底管道受到船锚或其他坠落物体的冲击碰撞过程,并采用Newmark法和N-R迭代法相结合求解了撞击动力学方程,分析了物体形状、碰撞角度、物体与管道间摩擦、混凝土厚度及管道内压对管道碰撞的影响.结果表明相同撞击条件下,立方体和球体对管道的撞击产生的最大Mises应力要比圆锥体大的多,随着圆锥角角度的增加管道的最大Mises应力是增加的;碰撞角度为90°时对管道的影响最大;摩擦对管道撞击影响较小;管道最大Mises应力随着混凝土层厚度的增加而减小,但随混凝土厚度的增加,减小的幅度越来越小;内压的存在使管道等效应力增加,但能减小管壁上的局部变形,使得冲击能量更多被用来产生整体变形.     

海底管道受坠物撞击的三维仿真研究(稿号5913修改稿)

采用三维非线性有限元法模拟海底管道受到船锚或其他坠落物体的冲击碰撞过程,并采用Newmark法和N-R迭代法相结合求解了海底管道的动力响应过程,分析了物体形状、碰撞角度、物体与管道间摩擦、混凝土厚度及管道内压对管道碰撞的影响。结果表明相同撞击条件下,立方体和球体对管道的撞击产生的最大Mises应力要比圆锥体大的多,随着圆锥角角度的增加管道的最大Mises应力是增加的;碰撞角度为90°时对管道的影响最大;摩擦对管道撞击影响较小;管道最大Mises应力随着混凝土层厚度的增加而减小,但随混凝土厚度的增加,减小的幅度越来越小;内压的存在使管道等效应力增加,但能减小管壁上的局部变形,使得冲击能量更多被用来产生整体变形。     

高强钢管混凝土撞击后力学性能数值研究

为分析高强钢管混凝土撞击后力学性能，该文建立了高强钢管混凝土在低速侧向撞击下以及轴压剩余承载力数值模型，模型考虑了高强钢和混凝土的材料应变率效应等以及动力-静力加载工况之间的结果衔接。使用现有高强钢管混凝土低速侧向撞击和静力加载试验结果对所建立模型的合理性进行了验证。采用建立的有限元模型，对高强钢管混凝土低速侧向撞击和静力侧向加载后的破坏形态、局部损伤和跨中挠度对于其轴压剩余承载力的影响规律进行了对比分析，理清了影响其轴压剩余承载力的关键因素，并发展了相应的简化计算模型。     

小型汽车撞击后框架柱剩余承载力的数值研究

建筑结构局部构件遭受撞击后的承载力损失可能引发整体结构系统的连续倒塌。为分析小型车辆撞击下多层框架柱轴向剩余承载力的影响因素,该文按照轴压承载力相等的原则,设计了3类柱:钢筋混凝土(RC)方柱、方钢管混凝土(CFST)柱和方钢(ST)柱,并基于非线性有限元软件对4种因素(车速、撞击角度、轴压比和柱类型)的影响进行了参数分析。分析结果表明:速度越大,柱损伤越大,柱剩余承载力越低;柱在斜向45°撞击时比0°正撞下剩余承载力更大;轴压比对剩余承载力的影响取决于柱截面类型;RC柱的剩余承载力最大,CFST柱和ST柱剩余承载力较大且差异不明显。     

层合中厚浅球壳受撞击时的非线性动力响应分析

建立了正交铺设层合中厚浅球壳在任一位置受撞击载荷作用的非线性运动微分方程,根据Hertzian定律,考虑撞击物与浅球壳之间的弹性接触效应,确定了壳体在其接触处所承受的冲击力。对此非线性动力问题,采用有限差分法与时间增量法求解。算例中,讨论了撞击物的速度、壳体中曲面曲率半径及接触点位置对壳体所受冲击载荷及其位移响应的影响。     

基于荷载时程分析法的钢筋混凝土与钢板混凝土墙冲击响应对比分析

为对比核电站核岛厂房钢筋混凝土结构(RC)与钢板混凝土结构(SC)外墙的抗冲击性能,基于荷载时程分析法,用显示非线性动力分析软件ANSYS/LS-DYNA仿真分析1/7.5比例飞机模型撞击RC、SC墙的冲击实验。将RC、SC墙破坏模式、混凝土碎片残余速度及背部钢板变形等计算结果与飞射物-靶体相互作用分析法计算结果及实验结果以及同厚度不同结构类别墙的计算结果进行对比。结果表明,基于荷载时程分析法计算结果有一定保守性,与实验结果吻合较好,且SC墙抗冲击性能优于RC墙,尤其背部钢板能有效约束混凝土撞击方向的运动及限制混凝土碎片飞溅。用于抗飞机撞击的SC结构墙体厚度可适当减薄。     

灌浆套筒连接装配式混凝土柱抗撞性能研究

为研究撞击荷载下灌浆套筒连接装配式混凝土（Precast Concrete, PC）柱的力学性能和损伤机理，采用数值仿真技术建立了PC柱精细有限元模型，并完成了模拟方法的验证，分析了PC柱的撞击响应特征与传统现浇混凝土（Cast-in-Place Concrete, CIPC）柱的差异，讨论了撞击位置、轴压力、接缝强度和套筒连接强度等参数对PC柱抗撞性能的影响，并从曲率分布的角度分析了PC柱的损伤特性。结果表明：相同撞击条件下PC柱和CIPC柱的非线性力学行为比较接近，但两者柱底的传力机制和破坏形态差异明显；曲率分布能直观描述PC柱的损伤细节特征；撞击位置的变化会改变PC柱的抗力机制，而轴压比在一定程度上可提高PC柱抗撞能力；由于撞击荷载的局部效应显著，接缝强度和套筒连接强度主要影响接缝附近柱体的损伤机理。     

冲击回波法检测预应力束孔管道压浆质量

详细阐述了冲击回波检测方法的原理及其在土木工程中的应用,结合厦门市某大桥,采用冲击回波法对箱梁预应力束孔管道的压浆质量进行无损检测.首先在完全灌浆的预应力钢束管道位置和正常混凝土位置(即无波纹管位置)进行测试,获得混凝土内部压浆密实和无预应力管道时的两组冲击回波频谱图,作为与测点检测结果进行对比的基础,根据时频谱图的分析结果可以预测钢束管道内的压浆质量,判断孔道中是否有空隙存在.经检测与分析表明,冲击回波法是可行的,适用于预应力束孔管道的压浆质量检测.     

海底悬跨管道动力响应的试验研究和数值模拟

在地震活动区铺设海底管道必须考虑地震荷载的作用。通过在水下振动台模拟海底悬跨管道完成的动力模型试验,根据试验结果分析了管道的悬跨长度、悬跨高度、支撑情况和管内运输不同物质等因素对海底悬跨管道的动力反应的影响。并根据Morison方程建立的海底悬跨管道动力控制方程对试验结果进行了有限元数值模拟,计算结果与试验结果符合得较好。     

冲击荷载作用下岩土材料能量耗散的有限元分析

当海上平台落物或商船抛锚会对海底管线造成一定的损害。通常的防护措施是管线的上部覆盖一层岩土材料,耗散部分落物冲击。运用非线性有限元程序Ls-DYNA/ANSYS对岩土材料耗散冲击物产生的能量的能力进行了数值模拟。对于碎石层的计算结果与挪威海洋工程规范中依据实验得到的结果一致,验证了该程序用于研究材料层能量消散能力方面的适用性。由于缺乏与粘土相关的研究,该文采用Ls-DYNA/ANSYS程序对粘土材料层消散能量能力进行了分析计算,成果可供海底管线保护设计的参考。     

非线性管-土作用下钢悬链线立管触地区疲劳分析

基于P-y曲线建立非线性管-土相互作用模型,分别运用大挠度曲线梁和弹性地基梁单元模拟钢悬链线立管(Steel Catenary Riser, SCR)的悬垂段和流线段,研究周期运动下管-土相互作用响应和SCR触地区的疲劳分析。SCR具有复杂的非线性动态行为,特别是触地点区域,由于海床模型的不确定性,一直是数值模拟的难点。通过Fortran编写子程序嵌入CABLE3D,开发得到包括非线性管-土作用模型的新程序CABLE3D RSI,围绕SCR与海床相互作用响应和立管的整体动力分析等内容展开研究;根据时域内的动力响应,运用S-N曲线法得到触地点区域的疲劳损伤分布情况,研究有关参数对疲劳损伤的影响。结果表明:1) 周期载荷作用下,立管在海床上形成的沟槽逐渐发展,相比于线弹性和刚性海床非线性海床分布力更加符合工程实际;2) 海床刚度模型、土剪切强度以及吸力因子都对立管触地区的疲劳损伤具有重要影响。     

无限元边界条件下的浅海海底地震波场建模

针对模拟无限大的海底地震波传播问题,应用无限元理论,提出了一种基于无限元边界条件的地震波建模方法,仿真了海底应力场,与高阶交错网格有限差分法仿真结果比对,验证建模方法的正确性。进一步分析无限元边界对海底地震波的吸收效果,结果表明无限元边界对纵波、横波的吸收效果好,可应用于海底地震波场建模中。     

琼州海峡海床地震反应特性的一维非线性分析

深软海床上修建跨海通道并确保其地震安全是一项重大的工程挑战。选取拟建琼州海峡海底隧道沿线4个典型钻孔剖面进行一维非线性地震反应分析,研究了输入地震动特性、土体动力本构模型的选取对海床非线性地震反应特性的影响。结果表明:与MKZ模型相比,DCZ模型能更好地模拟地震动的某些高频和中-长周期分量在海床土层中的传播;海床35 m以浅和80 m~160 m深土层对0.6 Hz~1.1 Hz地震波传播的放大效应显著。对于0.2 g基岩地震动水平,海床地表峰值加速度达0.297 g,相当于地震烈度Ⅷ度水平,这与历史最大影响烈度是一致的;依据海床场地效应特征,累积绝对速度CAV是一个更合适的地震动强度指标。在周期0.05 s~0.5 s范围内,依据《中国地震动参数区划图》反应谱设计跨海通道将偏于不安全。     

钢悬链式立管与海床相互作用模拟方法研究

基于大挠度曲线梁模型和弹性地基梁理论,研究了钢悬链式立管与海底相互作用的模拟方法。采用大挠度曲线梁模拟钢悬链式立管的悬垂段,采用弹性地基梁模拟海底流线段。钢悬链式立管与海底相互作用模型不仅考虑了弹性支撑反力和摩擦力,还考虑了动态效应的阻尼力和液化土的吸力。分析表明,采用大挠度曲线梁和弹性地基梁模型分析钢悬链式立管,其单元尺寸的影响较小,可采用较大的计算单元,从而缩短计算时间、减少内存。基于该方法的开发程序与商用程序OrcaFlex吻合较好,但对单元长度的敏感性远远小于OrcaFlex。     

基于压电阻抗方法的油气管道裂纹损伤定量研究

为了解基于压电阻抗方法识别管道裂纹损伤程度的可行性,通过人工切割方法模拟管道裂纹损伤,采用压电阻抗方法对管道裂纹损伤进行监测试验。实测各种损伤工况下压电片的阻抗信号,分析试验数据,提取均方根差(RMSD)作为损伤指标。基于RMSD 损伤指标与损伤面积的变化规律,建立了管道损伤程度量化表征的数学模型。试验结果表明:当管道出现裂纹损伤后,PZT 阻抗频谱曲线明显向左偏移,峰值对应频率下降;随着管道裂纹损伤程度不断加大,RMSD 值逐渐增长,RMSD 损伤指标能定性地判断管道损伤状况。所建立的数学模型在一定程度上实现了管道裂纹损伤的定量分析。