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管土接触作用下直埋供热管道折角的强度分析

中国科技论文 2017年第1期12卷 61-65页

作者：赵文浩王飞王国伟雷勇刚太原理工大学环境科学与工程学院太原030024

为探究折角应力变化规律,基于非线性有限元法,使用实体单元模拟管道与土壤,接触单元模拟管土相互作用,建立实际工况下折角的数值计算模型。计算并比较不同管径、壁厚、折角角度、压力等级等参数下折角的Mises应力值,得到不同参数下折角... 详细信息

为探究折角应力变化规律,基于非线性有限元法,使用实体单元模拟管道与土壤,接触单元模拟管土相互作用,建立实际工况下折角的数值计算模型。计算并比较不同管径、壁厚、折角角度、压力等级等参数下折角的Mises应力值,得到不同参数下折角峰值应力的变化规律。分析结果表明,与实验及梁-土弹簧模型相比,管土接触模型能够较好地模拟折角的破坏。为扩大折角在供热工程中的应用范围,可通过限制折角角度、增加局部壁厚、改进回填土比例、提高土壤压实度等方式保护折角。

关键词：市政工程小角度折角非线性有限元管土接触强度分析

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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

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

考虑管土接触效应的悬链线立管动力响应特性研究

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考虑管土接触效应的悬链线立管动力响应特性研究

作者：程宇骁上海交通大学

学位级别：硕士

随着深海油气资源的逐步开发,海洋立管的应用领域也从浅水走向深水。钢悬链线立管(SCR)系统由于其低廉的成本和对工作环境较强的适应性,在深水和超深水油气开采中具有独特的优势,近些年来,它已成为深海远海平台的首选立管系统。钢悬链... 详细信息

随着深海油气资源的逐步开发,海洋立管的应用领域也从浅水走向深水。钢悬链线立管(SCR)系统由于其低廉的成本和对工作环境较强的适应性,在深水和超深水油气开采中具有独特的优势,近些年来,它已成为深海远海平台的首选立管系统。钢悬链线立管受力情况复杂,在海洋环境载荷和顶部浮体运动的共同作用下,立管触地段与海床土体会产生不断的相互作用。这种持续的接触效应会引起海床土体的液化和塑性变形,进而形成沟渠。同时,随着水深的增加,海流对立管的影响也越来越大,除了会使得直接作用在立管上的拖曳力增大外,还会产生涡激振动的现象。不论是管土接触作用还是涡激振动,都会使立管产生较为严重的疲劳损伤,进而对整个海洋平台的安全性和可靠性产生不利影响。针对这一热点问题,本文采用数值分析方法,对悬链线立管整体动态响应进行模拟,进而探究悬链线立管管土接触效应以及涡激振动的规律,并对疲劳热点区域的疲劳寿命进行预报,对影响疲劳寿命的主要因素进行敏感性分析。论文主要研究内容包括以下几个方面:针对钢悬链线立管在铺设、安装和作业过程中与土体的复杂接触,产生的管线外载荷诱发的管线强度问题,采用非线性有限元软件ABAQUS对管土接触过程进行数值模拟。基于ALE自适应网格技术和修正硬接触算法模拟悬链线立管初次贯入、管线回弹与脱离的全过程,并对触地管线贯入和回弹过程中的主要影响参数进行分析。数值模拟结果与挪威岩土工程研究院的大尺度试验结果一致,能较好地反映土体抗力和吸力的产生和释放过程,验证了数值分析的可行性。参数分析结果表明摩擦角和粘聚力对管土间的接触作用有显著影响。基于Randolph和Quiggin提出的非线性双曲土体刚度模型,建立“浮式平台—立管—海床”的整体动响应计算模型,分析了浮体偏移、土体抗剪强度、土体吸力、非线性海床模型参数等对深水钢悬链线立管触地区动力响应的影响。重点考察不同工况下,触地区沟渠形状的变化以及对管土作用的影响。在此基础上,对悬链线立管的疲劳热点区域进行疲劳寿命的预报,考察影响疲劳的主要因素,并进行参数的敏感性分析。采用Iwan-Blevins尾流振子模型模拟悬链线立管在不同流场下的涡激振动现象,并对涡激振动下的管土接触作用进行了研究。考察了涡激振动对立管疲劳寿命的影响。结果表明海洋流剖面形状对立管涡激振动特性和由其激发的管土作用有重要影响。本文针对深海管线在复杂海洋环境下的动力响应及疲劳分析研究工作,可为深海立管的设计与结构安全性评估提供一定的参考。

关键词：钢悬链线立管管土接触动态响应疲劳寿命涡激振动尾流振子模型

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管土接触作用下埋地管道力学分析

石油矿场机械 2015年第7期44卷 44-47页

作者：杨辉王婷雷铮强李明菲玄文博王富祥陈健中国石油管道科技研究中心河北廊坊065000

为了研究管土间作用规律,运用ANSYS软件建立了基于接触单元的三维管土接触有限元模型,分析得到了管周接触应力的分布。给出了管土相互作用计算的弹性解,对比分析得出其与有限元模拟结果非常接近,表明管土接触分析模型能够较好地模拟管... 详细信息

为了研究管土间作用规律,运用ANSYS软件建立了基于接触单元的三维管土接触有限元模型,分析得到了管周接触应力的分布。给出了管土相互作用计算的弹性解,对比分析得出其与有限元模拟结果非常接近,表明管土接触分析模型能够较好地模拟管土相互作用。计算分析了管道埋深、土体粘聚力、管土摩擦因数、内摩擦角对管土接触应力的影响。

关键词：管土接触埋地管道 ANSYS 力学分析

管土接触作用下直埋供热管道双层折角与传统折角对比分析

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暖通空调 2021年第S1期51卷 26-30页

作者：钱亨雷勇刚太原理工大学

折角管段的布置是直埋供热管道工程中的一个技术难点。为了从根本上降低折角处应力最大值,提出了一种双层折角,建立了基于接触单元的管土接触有限元模型。通过数值计算开展了双层折角应力特性的研究。结果表明,与传统折角模型相比,双层... 详细信息

折角管段的布置是直埋供热管道工程中的一个技术难点。为了从根本上降低折角处应力最大值,提出了一种双层折角,建立了基于接触单元的管土接触有限元模型。通过数值计算开展了双层折角应力特性的研究。结果表明,与传统折角模型相比,双层折角能有效降低折角应力最大值,分隔应力集中区域,改善应力分布情况,降低管道变形程度,维持管土接触状态,能适应复杂的土壤环境。研究结果可扩大折角在直埋供热工程中的应用范围。

关键词：直埋供热管道管土接触双层折角传统折角应力值

考虑管土接触状态的圆曲线顶管顶进力计算方法

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地质科技通报 2023年第3期42卷 63-71页

作者：周雨恒周浩袁明张鹏曾聪中国地质大学(武汉)工程学院武汉430074 中山大学土木工程学院广东珠海519082 四川电力设计咨询有限责任公司成都610041

为探究不同管土接触状态下圆曲线顶管顶进力计算方法,结合港珠澳大桥拱北隧道曲线钢顶管工程的相关数据,利用国内外几种常用的曲线顶管顶进力计算公式,以及利用ABAQUS软件建立的考虑注浆作用和管土接触范围的顶进力有限元分析模型,分别... 详细信息

为探究不同管土接触状态下圆曲线顶管顶进力计算方法,结合港珠澳大桥拱北隧道曲线钢顶管工程的相关数据,利用国内外几种常用的曲线顶管顶进力计算公式,以及利用ABAQUS软件建立的考虑注浆作用和管土接触范围的顶进力有限元分析模型,分别进行了顶进力计算。与实测顶进力数据的对比分析表明:(1)顶进力计算值大小为:JMTA公式?上海规范公式>Shimada公式,其中考虑1/3管土接触面的Shimada公式下限计算值与实测值较为接近。(2)通过数值模拟发现,1/3管土接触状态模拟顶进力,逐渐向1/2管土接触状态接近;在注浆状态下,前期实测顶进力接近1/2管土接触状态下的顶进力;后期顶进趋近平稳时,实测顶进力接近1/3管土接触状态下的顶进力。本数值模型能够对同类型工况下顶管顶进力进行较好预测,对实际施工具有一定的指导意义。

关键词：曲线顶管顶进力数值模拟管土接触注浆压力

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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

大直径顶管施工管土相互作用实测分析——以佛山市电力隧道顶管工程为例

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隧道建设（中英文） 2021年第8期41卷 1353-1360页

作者：牛国伦马保松张鹏陈晓龙王靖中国地质大学(武汉) 湖北武汉430074 中山大学土木工程学院广东珠海519082

为研究大直径顶管在深埋高水压工况下的管节荷载变化,结合佛山市电力隧道顶管工程,对顶管施工过程中管节荷载、孔隙水压力进行实测分析,并比较现行各规范理论计算结果和实测管节荷载的区别,推导在注浆状态下管节荷载的计算方法。监测数... 详细信息

为研究大直径顶管在深埋高水压工况下的管节荷载变化,结合佛山市电力隧道顶管工程,对顶管施工过程中管节荷载、孔隙水压力进行实测分析,并比较现行各规范理论计算结果和实测管节荷载的区别,推导在注浆状态下管节荷载的计算方法。监测数据及计算结果表明:1)管节荷载在管壁四周分布较均匀,管节顶部荷载的变化受注浆压力影响较小,管节底部荷载与注浆压力变化基本一致,且管节底部荷载变化大于注浆压力的变化;2)管土接触状态在注浆顶进过程中符合隧洞稳定假设,顶进结束停止注浆后更符合管土全接触假设;3)在注浆状态下,各规范计算的管节荷载相比实测值较小,采用太沙基被动土拱理论推导的管节荷载计算模型更加合理。

关键词：大直径顶管土压力孔隙水压力管土接触

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直埋供热管道双层折角的应力分析

中国科技论文 2020年第8期15卷 885-890页

作者：钱亨雷勇刚王飞梁鹂王国伟太原理工大学土木工程学院太原030024 太原市热力设计有限公司太原030012 太原市市政工程设计研究院太原030002

针对直埋供热工程中管道折角处易发生应力集中和变形而导致管道破裂泄漏的问题,提出一种新型双层折角结构。通过有限元方法,对比新型双层折角与普通折角的应力最大值和应力分布,分析外套管壁厚、肋片高度、管土摩擦系数对双层折角应力... 详细信息

针对直埋供热工程中管道折角处易发生应力集中和变形而导致管道破裂泄漏的问题,提出一种新型双层折角结构。通过有限元方法,对比新型双层折角与普通折角的应力最大值和应力分布,分析外套管壁厚、肋片高度、管土摩擦系数对双层折角应力最大值的影响。结果表明:新型双层折角能有效降低折角的应力最大值,且折角角度越大,应力值降低效果越好;新型双层折角能适用于各种土壤环境,即使管土摩擦系数较小,也能很好地保护折角。研究结果可为实际工程中直埋折角的强化和大角度折角的敷设提供参考。

关键词：直埋供热管道双层折角管土接触应力值应力分布