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大变形埋地钢管结构承载能力及修复方法研究

天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2022年第4期55卷 419-427页

作者：于金弘伍鹤皋石长征李东明靳红泽武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室武汉430072 水利部水工金属结构质量检验测试中心郑州450044

大直径埋地钢管在大型引调水及水电工程中应用广泛,但施工过程中钢管易出现超出规范要求的大变形,而国内外对大变形埋地钢管的结构特性及处理措施研究较少.本文以某环变形达8.9%的埋地钢管为例,基于现场测试结果,采用数值模拟技术反演... 详细信息

大直径埋地钢管在大型引调水及水电工程中应用广泛,但施工过程中钢管易出现超出规范要求的大变形,而国内外对大变形埋地钢管的结构特性及处理措施研究较少.本文以某环变形达8.9%的埋地钢管为例,基于现场测试结果,采用数值模拟技术反演了该工程的施工过程,分析了该大变形管道若直接投入运行后的变形、应力及塑性情况,进而结合工程实际提出了水压法修复,并与传统的内撑法修复进行了比较研究.结果表明:大变形埋地钢管承受了较高的弯曲应力且管周土体支撑不足,结构承载能力较弱,荷载作用下钢管的变形和应力会大幅增加,安全风险较大.设置加劲环虽能增加钢管的抗外压稳定,但对管壁应力不利,高应力及塑性区域主要集中在管顶、管腰和管底及加劲环附近.大变形埋地钢管虽不符合规范要求,但不必更换钢管,可考虑对其进行修复,以降低钢管变形并提高管周土体模量,修复方法可采用内撑法或水压法.内撑法采用千斤顶将钢管顶圆,在顶撑区易产生应力集中,适用于管线局部发生大变形的情况;水压法利用内压复圆原理,可使管壁受力均匀,长距离管线下使用更为方便,修复后应检测并修补焊缝及防腐措施,并对运行期管道做好监测工作.研究成果可为类似工程处理及后续规范编制提供借鉴和参考.

关键词：埋地钢管大变形结构承载修复内撑法水压法

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大直径埋地钢管管顶土压力及其设计模型研究

岩土工程学报 2022年第3期44卷 514-522,I0007页

作者：于金弘石长征伍鹤皋徐文韬武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室湖北武汉430072

以往埋地钢管的管顶土压力研究结果多基于小直径管道,对大直径管道并不完全适用。建立了埋地钢管有限元计算模型,分析了不同管径、径厚比和埋深下的管顶土压力,并与传统设计模型进行比较,探讨了相关参数对土压力的影响。提出了一种新型... 详细信息

以往埋地钢管的管顶土压力研究结果多基于小直径管道,对大直径管道并不完全适用。建立了埋地钢管有限元计算模型,分析了不同管径、径厚比和埋深下的管顶土压力,并与传统设计模型进行比较,探讨了相关参数对土压力的影响。提出了一种新型的土压力设计模型--盆式模型,采用“直线+抛物线”形式描述土压力分布,根据管径和埋深情况采用“Marston+胸腔”荷载计算土压力数值,并深入研究了盆式模型对大直径埋地钢管的适用性。结果表明:对于大直径埋地钢管,管顶土压力分布的基本形式为“倒盆形”,径厚比及埋深均会显著影响土压力,但径厚比大于200后,土压力变化很小;管径小时,土压力大体呈抛物线分布。增加回填土变形模量和泊松比、沟槽接触面粗糙程度,减小沟槽宽度,均可降低土压力,但影响有限。高埋深时,棱柱荷载过大;低埋深时,Marston荷载偏小,这两种模型的计算精度及适应性较差;盆式模型与有限元分析的计算结果吻合度较好,计算精度高,适应性强,可为大直径埋地钢管的结构设计及规范制定提供借鉴和参考。

关键词：埋地钢管大直径管顶土压力设计模型有限元法

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液化场地埋地钢管地震易损性分析

天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2023年第1期56卷 55-63页

作者：梁泽田郑山锁刘晓航吴星霞杨丰西安建筑科技大学土木工程学院西安710055 西安建筑科技大学结构工程与抗震教育部重点实验室西安710055 中国启源设计研究院有限公司西安710018

位于地震活动区液化场地环境中的埋地钢管,除了需要长期面临地震灾害的威胁以外,还易受到土层液化所产生的浮力作用,从而发生严重破坏导致区域的正常使用功能中断.为了开展液化场地环境中埋地钢管的地震易损性研究,采用了Matasović非线... 详细信息

位于地震活动区液化场地环境中的埋地钢管,除了需要长期面临地震灾害的威胁以外,还易受到土层液化所产生的浮力作用,从而发生严重破坏导致区域的正常使用功能中断.为了开展液化场地环境中埋地钢管的地震易损性研究,采用了Matasović非线性本构模型并结合经Byrne修正的Martin孔压增量模型描述土体的非线性特性及液化特性,基于ABAQUS有限元分析平台开发了相应的液化砂土UMAT程序,并通过建立与振动台实验相应的数值模型验证了其在有限元模拟中的分析可靠性;结合实体非线性接触模型和壳体-等效土弹簧模型的特点创建了管土接触-土弹簧数值模型并进行了埋地钢管增量动力时程分析,从而建立了不同液化区长度、不同埋深条件下钢管地震响应的需求模型,结合管道破坏状态的划分和从概率意义上确定的各极限损伤状态限值对3种不同液化区长度及3种不同埋深钢管分别进行了地震易损性分析,建立了液化场地钢管损伤指标与地震动强度指标之间的解析易损性模型,并进一步绘制了对应的易损性曲线.结果表明:在相同地震动强度作用及相同埋深条件下,液化区长度越长,埋地钢管的各极限破坏状态下超越概率越大;在相同地震动强度作用及相同液化区长度条件下,埋深越大,埋地钢管的各极限破坏状态下超越概率也越大.

关键词：液化场地埋地钢管 UMAT 管土接触地震易损性分析

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阶梯沉降条件下埋地钢管的力学响应规律

天然气工业 2023年第12期43卷 110-120页

作者：刘鹏黄维和李玉星范佳林孙明源胡香凝张宇王武昌胡其会山东省油气储运安全重点实验室·中国石油大学(华东) 中国石油天然气股份有限公司中国石化青岛安全工程研究院中国石油海洋工程有限公司

埋地管道周边地质沉降是威胁管道安全稳定运行的主要地质灾害之一。为了研究沉降灾害下埋地钢管的力学响应特征,通过自主搭建的埋地管道实验箱,开展了3组不同埋深的埋地钢管阶梯沉降实验,研究了不同埋深、沉降范围和沉降量下的土体变形... 详细信息

埋地管道周边地质沉降是威胁管道安全稳定运行的主要地质灾害之一。为了研究沉降灾害下埋地钢管的力学响应特征,通过自主搭建的埋地管道实验箱,开展了3组不同埋深的埋地钢管阶梯沉降实验,研究了不同埋深、沉降范围和沉降量下的土体变形和管道力学响应规律,并通过数值模拟研究了不同沉降模式下的管土相互作用差异。研究结果表明:①对于浅埋的埋地钢管沉降地质灾害,地表观测手段可简单直接地推断沉降灾害的发展程度,而对于大埋深的埋地钢管沉降地质灾害,建议埋地钢管附近布设土体竖向位移监测;②在沉降初始阶段,沉降范围和沉降量增加导致的管道力学响应增幅明显,但是随着沉降范围和沉降量的增加,管道的力学响应增幅将不断降低;③随着阶梯沉降下管道埋深的增加,大沉降量下的管道纵向应变增幅相较于浅埋管道将显著增大;④土体整体沉降相对阶梯沉降的埋地管道力学响应更剧烈,建议尽可能控制沉降区土体分区域沉降以降低管道的力学响应,确保管道安全。结论认为,实验成果丰富并完善了沉降灾害下埋地钢管力学分析领域的认识,有助于进一步完善现有的沉降灾害下埋地管道安全评估体系,对保障管道安全稳定运行具有重要意义。

关键词：阶梯沉降埋地钢管力学响应土体变形沉降模式管土实验数值模拟

高压埋地钢管敷设方式对钢管受力变形的影响研究

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中国农村水利水电 2023年第1期 206-211页

作者：汪艳青陆伟石长征石雅竹中水珠江规划勘测设计有限公司广东广州510610 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室湖北武汉430072

高压埋地钢管在管线转折起伏处面临较为突出的变形和抗滑稳定问题。结合某高水头输水工程实际,建立了埋地钢管的有限元数值模型,研究了管道敷设方式、镇墩的布置对钢管受力变形的影响规律。结果表明:埋地钢管由于管周土体约束较弱,在高... 详细信息

高压埋地钢管在管线转折起伏处面临较为突出的变形和抗滑稳定问题。结合某高水头输水工程实际,建立了埋地钢管的有限元数值模型,研究了管道敷设方式、镇墩的布置对钢管受力变形的影响规律。结果表明:埋地钢管由于管周土体约束较弱,在高内水压力作用下,转弯较大处会产生较大外凸变形,带动管道产生滑移,温升作用将加强这种变形趋势,对钢管更为不利;埋地钢管管线中即使不设伸缩节,钢管与土体可发生一定的相对滑移,能释放一部分温度应力,减小温度作用的影响;埋地钢管管线中,在转折起伏剧烈的地方设置少数镇墩即可有效控制钢管的变形和轴向滑移,在每个转弯处设置镇墩没有必要,反而增加工程量,带来不均匀沉降等问题。

关键词：埋地钢管高内压柔性敷设镇墩变形滑移

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埋地钢管局部悬空的挠度和内力分析

工程力学 2008年第8期25卷 218-222页

作者：王小龙姚安林西南石油大学建筑工程学院四川成都610500

在地质灾害作用下,埋地钢管下方的土壤下陷或流失会造成管道悬空,这给管道长期的安全运行构成了严重的威胁。对于埋地钢管在悬空时的失效问题曾有文献进行过研究,但均未推导出此种状态下埋地钢管的挠度和内力计算公式。该文基于Winkler... 详细信息

在地质灾害作用下,埋地钢管下方的土壤下陷或流失会造成管道悬空,这给管道长期的安全运行构成了严重的威胁。对于埋地钢管在悬空时的失效问题曾有文献进行过研究,但均未推导出此种状态下埋地钢管的挠度和内力计算公式。该文基于Winkler假设的弹性地基梁理论,建立了埋地钢管在局部悬空时管道与土相互作用的力学模型。利用埋地钢管悬空段与非悬空段之间的变形协调性,通过求解管轴挠曲线微分方程,得出了埋地钢管在局部悬空时的挠度和内力计算公式。通过算例与有限元方法的结果进行了比较,结果表明:该方法在精度方面可满足工程要求。

关键词：埋地钢管挠度和内力 Winkler弹性地基梁变形协调局部悬空

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埋地钢管牺牲阳极保护计算机辅助设计与实现

腐蚀科学与防护技术 2005年第5期17卷 345-348页

作者：李岩屈祖玉罗德贵李晓刚北京科技大学材料科学与工程学院北京市腐蚀磨损与表面技术重点实验室北京100083

依据牺牲阳极法保护原理,参照已有的案例经验及牺牲阳极法阴极保护相关的计算公式,借助Visual ***语言强大的功能,对埋地钢管的牺牲阳极保护进行计算机辅助设计.本文介绍了该辅助设计系统的设计思想,设计方案,各子模块的实现过程及对系... 详细信息

依据牺牲阳极法保护原理,参照已有的案例经验及牺牲阳极法阴极保护相关的计算公式,借助Visual ***语言强大的功能,对埋地钢管的牺牲阳极保护进行计算机辅助设计.本文介绍了该辅助设计系统的设计思想,设计方案,各子模块的实现过程及对系统的特点进行了阐述.

关键词：埋地钢管牺牲阳极保护计算机辅助设计

酸性土壤环境中多龄期埋地钢管地震易损性分析

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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2020年第9期53卷 881-889页

作者：贺金川韩峰郑山锁谢孝奎蔡永龙西安建筑科技大学建筑设计研究院西安710055 西安建筑科技大学土木工程学院西安710055 结构工程与抗震教育部重点实验室西安710055

在酸性腐蚀土壤环境中,埋地钢管的抗震性能会随着服役龄期的延长而显著降低.为了研究酸性土壤环境中多龄期埋地钢管的抗震性能,对钢材进行人工加速腐蚀试验与拉伸破坏试验,建立了钢材屈服强度、极限强度、弹性模量及伸长率与失重率之间... 详细信息

在酸性腐蚀土壤环境中,埋地钢管的抗震性能会随着服役龄期的延长而显著降低.为了研究酸性土壤环境中多龄期埋地钢管的抗震性能,对钢材进行人工加速腐蚀试验与拉伸破坏试验,建立了钢材屈服强度、极限强度、弹性模量及伸长率与失重率之间的关系;在全面腐蚀模型的基础上,揭示了酸性土壤环境中埋地钢管力学性能与几何尺寸随服役龄期的变化规律,并建立时变本构模型.基于ANSYS有限元分析软件,建立了酸性土壤条件中考虑锈蚀钢材几何尺寸及力学性能退化的不同服役龄期有限元模型;采用增量动力分析法及云图法,建立了描述地震动强度与结构地震响应之间关系的概率地震需求模型,结合管道破坏状态的划分和概率意义上极限损伤限值的确定,对埋地钢管进行地震易损性分析,从而建立了考虑锈蚀耐久性能退化的不同服役龄期埋地钢管时变地震解析易损性模型,表征了管道单元损伤指标与地震动强度指标之间的关系,并进一步给出了不同管径多龄期埋地钢管的地震易损性曲线.结果表明:在酸性腐蚀土壤环境中,随着服役龄期的延长,埋地钢管的几何尺寸及力学性能均不断削减,出现不同震害状态的概率呈现不同幅度的升高;在其他条件相同的情况下,随着管径增大,出现不同震害状态的概率有一定程度的降低.

关键词：埋地钢管多龄期酸性腐蚀力学退化模型地震易损性分析

碱性及近中性土壤环境中埋地钢管时变地震易损性分析

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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2020年第12期53卷 1254-1263页

作者：谢孝奎贺金川郑山锁韩峰蔡永龙西安建筑科技大学土木工程学院西安710055 西安建筑科技大学建筑设计研究院西安710055 结构工程与抗震教育部重点实验室西安710055

在碱性及近中性土壤环境中,埋地钢管随着服役龄期的延长腐蚀逐渐加深,其力学与抗震性能不断退化.为了研究碱性及近中性土壤环境中多龄期埋地钢管的抗震性能,引入钢材时变本构模型,对埋地钢管进行了增量动力时程分析,建立了碱性及近中性... 详细信息

在碱性及近中性土壤环境中,埋地钢管随着服役龄期的延长腐蚀逐渐加深,其力学与抗震性能不断退化.为了研究碱性及近中性土壤环境中多龄期埋地钢管的抗震性能,引入钢材时变本构模型,对埋地钢管进行了增量动力时程分析,建立了碱性及近中性土壤环境中不同服役龄期埋地钢管的概率地震需求模型.基于管线三态破坏准则,确定了各极限破坏状态的限值,进而建立了碱性和近中性土壤环境中4种不同服役龄期埋地钢管单元时变地震解析易损性模型,并绘制出相应的时变地震易损性曲线.结合震害资料的经验统计规律,对3种不同管径的多龄期埋地钢管进行了地震易损性分析.结果表明:在碱性及近中性土壤环境中,随着服役龄期的延长及管径的减小,相同地震动作用下埋地钢管在基本完好、中等破坏、严重破坏等极限破坏状态下的超越概率均逐渐增大.

关键词：碱性土壤近中性土壤埋地钢管力学性能退化多龄期地震易损性