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管土接触作用下直埋供热变径管的应力分析

管土接触作用下直埋供热变径管的应力分析

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作者：冀毅珍太原理工大学

学位级别：硕士

集中供热作为我国城市化建设的重要基础设施之一,对于节约国家能源、改善生态环境、促进工业生产等都具有重要的现实意义。由于城市管网规模的不断增大,直埋管网中的变径管、三通、折角等构件的使用频率也大幅度增加。在这些薄弱构件中... 详细信息

集中供热作为我国城市化建设的重要基础设施之一,对于节约国家能源、改善生态环境、促进工业生产等都具有重要的现实意义。由于城市管网规模的不断增大,直埋管网中的变径管、三通、折角等构件的使用频率也大幅度增加。在这些薄弱构件中,变径管由于自身结构的不连续,会产生应力集中。采用增设补偿器和固定墩的方式来保护变径管,不仅会增加整体投资和施工难度,造成资金不足和设备浪费,而且又产生新的不安全因素,降低了供热管网的安全性和可靠性。因此,本文针对直埋供热变径管小管侧应力集中现象,通过优化自身结构来减弱小管侧的应力集中,即对变径管小管侧和与其相连的直管侧的焊缝处进行优化,焊缝连接处由直接焊接改为用相切圆焊接。对这种优化方式下的变径管进行数值模拟分析,建立简化的变径管管土接触模型,分析参数对直埋供热变径管小管侧应力最大值的影响规律,及土壤参数对接触应力的影响规律。本文主要展开以下研究并得到相应结论:（1）变径管选用管土接触模型,通过施加接触单元模拟管土接触,能够较好地模拟变径管在土壤中的真实受力。建立变径管和土体的有限元模型,对模型网格进行独立性考核,模型及边界条件进行有效性验证。在变径管大管侧端面施加法向约束,小管侧端面施加压力面载荷F=375MPa,变径管管道整体施加均匀的内压载荷和温度载荷;模型中的土体上侧为自由边界,土体两侧端面为全固定,土体底面为全固定,土体其他面为法向约束。（2）选取直埋供热变径管DN1000/900、DN900/800、DN800/700、DN700/600、DN1000/800、DN900/700、DN800/600和DN700/500,研究不同曲率半径、壁厚、变径段材料、土壤弹性模量及管土摩擦系数等对变径管及变径管小管侧应力最大值的影响规律。（3）通过数值模拟,对直埋供热变径管DN800/700、DN800/600管土之间的非线性作用进行研究,分析土壤弹性模量、管土摩擦因数、土体粘聚力、内摩擦角对变径管接触应力的影响规律。（4）直埋供热变径管的应力分析:1)对于DN700～DN1000范围内的直埋供热一级变径管,随小管侧曲率半径的增大,小管侧应力最大值呈下降趋势,其中DN800/700的变径管小管侧应力最大值的降低幅度最大。对于DN700～DN1000范围内的直埋供热二级变径管,小管侧曲率半径小于350mm时,小管侧应力最大值显著减小;小管侧曲率半径大于350mm时,小管侧应力最大值呈增大趋势,但其增大幅度远小于小管侧曲率半径小于350mm时的减小幅度。2)对于DN700～DN1000范围内的直埋供热一级变径管,随着壁厚的增加,变径管小管侧应力最大值呈下降趋势。对于DN700～DN1000范围内的直埋供热二级变径管,随着壁厚的增加,当曲率半径小于350mm时,小管侧应力最大值逐渐减小;当曲率半径大于350mm时,小管侧应力最大值逐渐增大。3)对于DN700～DN1000范围内的直埋供热一、二级变径管,小管侧应力最大值随着变径段材料强度的增强而减小。4)对于DN700～DN1000范围内的直埋供热一、二级变径管,增大土壤弹性模量和管土摩擦系数,变径管小管侧应力最大值降低幅度同样较小。5)在管土相互作用中,随着内摩擦角的增加,最大径向压应力和最大剪应力基本保持不变。最大剪应力和最大径向压应力,随土壤弹性模量、管土摩擦系数、土体粘聚力的增加均逐渐增加。当土体粘聚力大于18k Pa时,最大剪应力和最大径向压应力均保持不变。

关键词：直埋供热管土接触变径管小管侧应力分析

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