软土沉降位移作用下大口径管道轴向应力状态研究*

为准确掌握大口径管道的轴向应力应变状态,保障管道的安全运行,通过假定4类不同形式的软土沉降位移,研究不同沉降形式对管道轴向应力状态的影响。采用非线性有限元方法建立管道轴向应力应变参数化数值计算模型,开展影响因素分析。结果表明:针对软土沉降位移作用下1 422 mm X80大口径管道,沉降量相同时,突变型位移载荷作用下管道受到的轴向应力最大,最大轴向应力位于两侧非沉降区距管道中心约53 m处;软土沉降量达到工程实际中可能的最大值1 m时,大口径X80管道内轴向应力小于0.9倍管材屈服强度,管道环焊缝可以采用基于应力的工程适用性评估方法开展ECA(Engineering Critical Assessment)评价。     

埋地PE燃气管道地质沉降破坏数值分析

为研究地质沉降过程中埋地聚乙烯(PE)燃气管的破坏历程,基于PE管材的拉伸力学试验,拟合出改良的Sherwood本构模型方程,得到基于应变率的PE管材失效预测模型;利用Abaqus软件对不同沉降阶段和不同坡度下的PE管道力学响应情况进行仿真研究。结果表明:四阶Sherwood本构模型能表达并预测PE管道力学响应,土体沉降错位量和土体沉降深度对管道的应力、应变分布特征和椭圆度有直接影响。     

地基差异沉降下埋地管道的有限元分析与试验研究

利用大型数值模拟仿真软件ABAQUS对地基差异沉降下的埋地管道力学性状进行了分析,找出了管道受力较大的区域.采用电测法对地基差异沉降下的埋地管道受力状况进行现场测试,结果表明,有限元计算结果与试验吻合良好.对管道每隔一个月连续进行4次应力测试,得知地基差异沉降下管道所受的应力远小于管道材料的许用应力.分析了埋地管道受力影响因素.可以为地基差异沉降下埋地管道最大应力区的有效防护提供参考.     

黄土湿陷过程下埋地油气管道力学行为有限元模拟北大核心CSCD

针对黄土遇水后湿陷产生陷穴并引起埋地管道悬空这一过程中管道的力学行为,以基于弹塑性地基的黄土湿陷区悬空管道力学模型为基础,从湿陷原因和机理出发,建立三维有限元实体模型,模拟了土体湿陷过程和沉降变形,模拟计算结果与理论值和实测值进行了比对验证;进一步的计算和回归分析得到了管道最大位移、最大von Mises应力与地表土体湿陷沉降量的变化规律,同时也得到了最终湿陷情况下管道的von Mises应力分布和湿陷区范围的影响。结果表明:土体湿陷沉降是管道和土体共同作用的结果,湿陷前期管道与土体一起运动,位移和应力增加较快,而管道下方土体脱离管道产生陷穴后则增长较慢;管道最大位移和土体湿陷沉降量间呈对数函数关系,而管道最大von Mises应力和土体湿陷量呈指数函数关系;湿陷区管段向下弯曲变形会在3个位置形成应力集中区,湿陷区范围增大会引起管道应力和变形的明显增加,且3个区域的最值分布有所不同。     

黄土湿陷过程下埋地油气管道力学行为有限元模拟

针对黄土遇水后湿陷产生陷穴并引起埋地管道悬空这一过程中管道的力学行为,以基于弹塑性地基的黄土湿陷区悬空管道力学模型为基础,从湿陷原因和机理出发,建立三维有限元实体模型,模拟了土体湿陷过程和沉降变形,模拟计算结果与理论值和实测值进行了比对验证;进一步的计算和回归分析得到了管道最大位移、最大von Mises应力与地表土体湿陷沉降量的变化规律,同时也得到了最终湿陷情况下管道的von Mises应力分布和湿陷区范围的影响。结果表明:土体湿陷沉降是管道和土体共同作用的结果,湿陷前期管道与土体一起运动,位移和应力增加较快,而管道下方土体脱离管道产生陷穴后则增长较慢;管道最大位移和土体湿陷沉降量间呈对数函数关系,而管道最大von Mises应力和土体湿陷量呈指数函数关系; 湿陷区管段向下弯曲变形会在3个位置形成应力集中区,湿陷区范围增大会引起管道应力和变形的明显增加,且3个区域的最值分布有所不同。     

埋地燃气PE管道在地面沉降作用下的应力分析

为了研究在地面沉降作用下PE燃气管道的受力特性及失效原因,借助ANSYS软件,探究了在地面沉降作用下PE100、管径DN110、e=10的燃气PE管道的应力-应变响应情况,分析了管道失效影响因素以及失效原因,并得出管道的失效危险点、管道极限沉降位移及极限截面变化率。结果表明：在地面沉降作用下管道的失效危险点出现在沉降区与非沉降区交接处的管道内表面;且在地面沉降作用下,管道产生的压缩变形是导致管道失效的主要原因,管道弯曲变形的存在会使管道的压缩变形更加严重。这为防治埋地燃气聚乙烯管道在地面沉降作用下的管道安全评估提供理论参考。     

第三方挖掘作用下PE燃气管道失效行为研究

针对挖掘破坏导致的城镇燃气管道失效,开展了挖掘作用下管道力学失效机理分析。考虑管土接触作用,建立了城镇燃气PE管道在挖掘齿作用下的三维力学响应分析模型,分析了典型工况下管道的失效过程,讨论了基于应力准则与基于应变准则等2种失效准则的适用性,并开展了影响因素分析。结果表明:机械齿作用下管道主要失效位置为机械齿与管道接触位置两端;采用基于应变的失效准则可以更好地利用PE管材的塑性性能;机械齿的作用位置对管道力学响应影响较小;管径和壁厚的增大能减小管道内的应力,同时能够减小管道的截面椭圆度;内压的改变对管道的力学响应几乎没有影响。以上结果可为城镇燃气管道的力学失效分析与安全评价提供一定的参考。     

沉降土体对管道跨越结构应力影响的分析

为了更好地保障长输管道的安全稳定运行,针对长输管道当中的跨越结构进行了应力分析与计算。基于管道跨越结构其结构的特殊性,极容易受到断层、土体塌陷等地质灾害的影响。因此建立了跨越段埋地管道与土壤相互作用的有限元力学模型,分析了30°、40°、50°、60°跨越结构和不同范围土体发生沉降时,管道的应力变化情况。结果显示,当跨越结构中斜管段的角度确定后,便可计算出相应的安全沉降长度;当斜管段角度为50°时,沉降长度控制在13.6m以内,可保证跨越结构不发生塑性变形。通过研究为管道跨越段的安全设计提供了理论依据,该方法可应用在类似的管道跨越结构的应力设计当中。     

水网地区漂浮输气管道安全评估方法研究

为防治水网地区河流穿越管道形成漂浮管段而发生事故,需要对漂浮管道进行安全评估。根据工程实例,建立水流作用下漂浮管道的力学模型,构建基于土弹簧法的有限元实体模型,采用有限元软件对漂浮输气管道进行仿真计算。然后,根据计算不同漂浮长度下的管道应力,分析管道最大应力比率在漂浮长度影响下的变化规律,建立漂浮管段安全评估模型。最后,结合实例对管道安全评估模型流程进行说明。实例分析结果简洁明了地反映出该漂浮输气管道处于安全运行状态,与实际情况相符,表明该安全评估方法是有效的。     

地表载荷对硬岩区埋地管道应力应变影响分析

为研究地表载荷对硬岩区埋地管道力学性能的影响,建立了管-土耦合三维数值模型,分析了地表载荷大小、作用面积、管道压力、管道径厚比及回填土弹性模量对管道应力分布、塑性应变、椭圆度的影响。结果表明:地表压载作用下,高应力区首先出现在管道顶部且呈椭圆形;随着地表载荷及其作用面积的增大,管道高应力区逐渐扩大,管道截面左右两侧也出现应力集中;随着回填土弹性模量、管道壁厚及内压的增加,管道顶部高应力区及最大等效应力均减小。塑性应变首先出现在管顶,且塑性区随地表载荷、载荷作用长度增加而增大,随回填土体弹性模量及管道壁厚增大而逐渐减小;当内压为0~4MPa时,管道塑性应变及塑性区随内压的增大而减小。管道椭圆度随回填土体弹性模量、管道内压、壁厚增加而逐渐减小,随地表压载增大而增大。     

考虑非均匀地基原水管道受力特征模型试验研究

为了解决上海市长江引水三期非均匀地基区间管道爆管问题,采用缩尺试验研究非均匀地基条件下原水管道受力变形特征,针对非均匀地基的密实度和长度进行逐级划分,并设计不同的试验工况研究管道的受力特征。结果表明:管道下方非均匀地基的密实度对管道所受应力有较大影响,即密实度越高,应力值越低,管底处的应力受密实度和非均匀地基长度的影响最大。非均匀地基区域边缘处截面应力与管道中央截面应力相比,非均匀地基长度为1D时,截面Ⅰ上测点的应力值与截面Ⅱ的应力值大小相近,而在1.5D和2D长度条件下,呈现出截面Ⅰ的应力值高于截面Ⅱ的规律。研究成果对非均匀地基区域的原水管道运营维护具有重要的指导作用。     

双线地铁隧道下穿管道安全性对比研究

地铁与燃气管道等高危管道均为线性工程,地铁隧道下穿管道的情况不可避免,一旦因地铁施工导致管道泄漏,后果难以承受,管道沉降值是考量其安全性的关键指标。为对双线盾构地铁隧道下穿管线安全性进行预测,采用修正的Peck公式理论方法进行计算,并与数值模拟结果相对比,研究结果表明:双线盾构地铁隧道下穿管道安全风险可控,修正Peck公式及数值模拟法均能较真实地描绘地表以下任意土层的沉降槽曲线,进而可以比较准确地计算土体竖向沉降,可作为一种用于计算隧道开挖所引起管道竖向位移的方法。     

加载条件下不同埋深原水管道受力特征模型试验*

为探究不同埋置深度对原水管道影响,利用缩尺模型对不同埋深条件下原水管道受力特征进行分析,综合研究管道外径、管道埋深、加载值和加载方式等因素对管道受力影响。结果表明:中心加载条件下,随管道埋深增加,管道应力呈先增大后减小趋势,当埋深厚度与管径比值为3时,管道应力达到最大,土拱效应开始显现;偏心加载条件下,埋深厚度增大使管道应力不断增加,但后期管道应力增长率小于前期;相同埋深厚度条件下,中心加载与偏心加载条件下,同截面管底处应力值相对最大。研究结果可为不同埋深区域内原水管道维护运营提供指导。     

基于SPH-FEM耦合法的含缺陷输气管道爆炸冲击响应研究

针对大口径埋地输气管道发生物理爆炸对并行含体积缺陷邻管的冲击行为，利用LS-DYNA和LS-PREPOST有限元软件建立基于光滑粒子流体动力学-有限单元法的管-土-炸药耦合模型，分析不同缺陷深度、不同缺陷表面积、不同缺陷位置和不同爆心距下邻管的动力响应；基于爆腔预估公式和峰值振速经验公式，验证了所建耦合模型的可靠性，并通过设计算例开展多工况分析。研究结果表明:迎爆面上的缺陷处为动力响应的热点区域，最大响应特征值（应力、位移与振速）位于缺陷中心处，随缺陷深度的增加或管间距的减小特征值增速由平缓到急剧；相比缺陷位置和表面尺寸对管道的扰动程度，缺陷深度和爆心距对管道的动力响应影响较大；在本研究的条件下，建议埋地并行输气管道的安全间距不应小于5.16 m，且腐蚀深度不大于管道壁厚的0.633 6倍。研究结果可为埋地输气管道极端灾害下的风险评估提供技术支撑，为并行管道可能的抗爆隔爆设计提供模拟数据支持。     

基于多维云模型的埋地并行油气管道风险评价研究*

为提高风险评价准确性以有效支撑管道完整性维护,保证油气管道在多管并行敷设下安全运行,提出1种基于博弈论-多维云模型的风险评价方法。首先,从并行间距、土壤压实度、土壤导热系数、介质流速、管径、埋深、应急响应时间、上下游截断阀间距等方面建立并行管道风险评价指标体系,为降低传统赋权方法的主观性,通过结合熵权法改进层次分析法（AHP）,从而确定主客观权重,再经博弈论组合赋权法综合计算指标权重;其次,运用多维云模型理论确定风险等级,通过修正各风险评分项的等级区间结合指标权重,计算出各级的综合确定度,并进行等级评判;最后,将该方法应用于工程实例。研究结果表明:所评价管段的指标风险处于中等风险水平,风险可接受,管段的整体风险评价结果良好,有利于并行管道安全管理;实例证明该评价方法具有较好的适用性。     

基于有限元的局部突变位移载荷下埋地管道力学分析

冻土融沉、盐渍土溶陷等地质灾害会导致局部土壤产生一定位移,对埋地长输管道安全性构成威胁。为保障埋地管道的安全运行,建立了局部突变型位移载荷作用下埋地管道力学分析模型,采用非线性土弹簧描述管土相互作用,分析了局部突变区域长度及突变位移量对埋地管道受力的影响。研究结果表明:因局部突变区长度与突变位移量的不同,管道存在3种受力状态,当局部突变区域长度大于临界突变区长度时,管道轴心应变与弯曲应变在突变区域内不产生耦合,此时在突变区域两端可等效为2个垂直正断层,即为第一种受力状态;当突变区域长度小于临界突变区长度时,随着突变位移的增加,管道应变随之增加,管道轴心应变与弯曲应变在突变区域内不断叠加,即为第二种受力状态;在第二种受力状态基础上,当突变位移大于临界突变位移时,管道应变不再发生变化,管道等效为受到垂向均布荷载的作用,即为第三种受力状态。研究结果可为工程中管道穿越地质灾害区域的设计提供参考。     

浅埋隧道下穿超近距密集管线施工变形时空特性研究*

为分析浅埋隧道下穿密集管线施工地层与管线群变形时空特性,基于南昌地铁三号线邓埠站1号出入口暗挖隧道工程,利用理论分析、数值分析结合现场监测的方法进行研究。研究结果表明:隧道上方密集管线中位于前方的管线先承担开挖释放的部分土体应力,使其后方管线的变形大幅减小,平均减幅达23%;地层变形始终朝向掌子面,在掌子面到达时水平位移最大;因管线-土体共同作用,土体释放部分应力转移到地下管线,使地层沉降减小24%~38%,沉降槽宽度扩大40%;施工期间建议对污水管变形重点监测,在管线平均变形速率急速增大时,需提高监测频率。研究结果可为该地区相似工程施工提供参考。