玻璃纤维增强塑料管道的地震响应分析

作     者：李炎 

作者单位：武汉理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱四荣

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：玻璃纤维增强塑料管 横向剪切波 土壤断层 地震响应 

摘      要：玻璃纤维增强塑料管简称GFRP管,以其轻质高强、耐腐蚀性强、内壁光滑、输送能耗低以及生产安装方便等优点广泛应用于城市供水、石油、化工、冶金等行业中。并且随着国民经济的迅速发展,包括玻璃纤维增强塑料管在内的复合材料结构在工程中发挥着越来越重要的作用。由于我国地域广阔,许多城市位于地震多发带,有必要对埋地管的地震响应与抗震性能进行研究。因此,玻璃纤维增强塑料管的抗震性能也引起了人们的关注。本文用地震下的自由场应力和永久土壤变形表征地震荷载,分析了玻璃纤维增强塑料埋地管在地震载荷作用下的响应。本文主要工作如下:(1)针对地震致瞬时土壤变形引起的管道响应,建立了土体自由场在横向剪切波作用下的理想模型,从弹性力学基本理论出发,推导出其应力解。将地震引起的自由场应力作为外力施加在管土模型的边界上,分析了横向剪切波作用下玻璃纤维增强塑料埋地管的力学响应,研究了管材、土体弹性模量、环刚度、埋深、土壤类型、压力等级等因素对管道地震响应的影响。结果表明,在横向剪切波作用下玻璃纤维增强塑料管的环向安全系数较钢管及球墨铸铁管要高出许多;土体弹性模量越高,管道在瞬时土壤变形作用下的越安全,为保证玻璃纤维增强塑料埋地管的安全,埋设管道时应严格按照相关的施工规范进行,尽量采用密砂填土;随着管道环刚度的增加,其强度比将会降低;随着埋深的增加,由于地震载荷与土压力均增大,管道环向应力迅速增大,表明埋深是管道抗震性能中不可忽视的因素;随着压力等级的增加,内压引起的应力逐渐超过地震载荷引起的应力,压力等级高于0.6MPa时候,地震载荷引起的应力相对内压引起的应力较小,而压力等级较低的管道(如压力等级为0.6MPa以下的管道)则必须进行地震载荷作用下的相关计算。(2)针对地震致永久土壤变形引起的管道响应,建立了土壤断层作用下的管土模型,计算了11种不同模型下玻璃纤维增强塑料管在断层作用下的力学响应,研究了断层交角,土体弹性模量,埋深,摩擦因数等重要参数的影响,分析了这些参数对玻璃纤维增强塑料管在土壤断层作用下响应的影响。结果表明,断层交角越小,管道越危险;土体弹性模量越低,管道在断层作用下轴向应力越低,管道越安全;埋深增加,管道轴向应力随之增大;摩擦系数的降低会使得管道所受轴向应力增加,说明适当增加摩擦系数有利于管道抵抗断层的能力;此外,管道在断层作用下的计算结果表明,在位移为0.3m的断层作用下,玻璃纤维增强塑料管道的应力就已接近玻璃纤维增强塑料管道的强度极限,说明在断层作用下管道极易受到损坏。为了防治断层作用的危害,应当尽量避免将管道安置在在可能发生断层的区域,无法避免时可通过增加柔性接头的数量,降低轴向应力,同时通过改变管道内衬材料如使用热塑性内衬层以降低管道结构层因断层破坏而造成的损失。