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《大连理工大学》 2011年
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断层作用下埋地钢质管道反应分析方法研究

王滨  
【摘要】:埋地钢质管道作为城市交通、通讯、供暖、供水、供气等基础设施的重要组成部分和石油、天然气最快捷、经济、可靠的运输方式,被称为城市地下“生命线”和油气田“生命线”。随着我国城市化进程的加快和油气资源的开发,埋地钢质管道的建设日益增多,其结构的安全性和可靠性问题日益突出并受到各方广泛关注。我国幅员辽阔,是一个地震多发国家,几乎各省在历史上都曾发生过强烈地震。地震发生时,埋地管道的破坏会直接导致重要城市基础设施的服务中断以及油气泄漏事故,甚至可能引发火灾爆炸,对震时救援、灾后重建和生态环境造成严重影响。断层错动是埋地钢质管道地震破坏的主要原因之一,为了避免此类事故的发生,需要正确进行跨断层埋地钢质管道的抗震设计及对现有管道进行抗震安全评价。因此,开展跨断层埋地钢质管道的地震反应分析和破坏机理研究具有重大的理论意义和实用价值。 为了在保证精度的条件下减少计算时间,从简化模拟单元的角度,引入可以考虑管道横截面椭圆化和翘曲的管壳单元,建立了一种能够考虑工作荷载和断层共同作用的埋地钢质管道非线性有限元模型,并基于ADINA进行二次开发,实现了管壳单元横截面变形的可视化。该模型同时考虑了管道材料非线性、管土相互作用非线性和结构几何非线性的影响。在对其正确性和有效性进行验证的基础上,进行了影响因素分析。结果表明,在进行断层作用下埋地钢质管道反应分析时,应采用管道材料非线性模型和管土相互作用非线性模型;当断层错动量较大时,必须考虑几何非线性特征。在此基础上,还进一步研究了内压、温度荷载单独作用及共同作用对跨断层埋地钢质管道地震反应的影响。 在跨断层埋地钢质管道管壳单元非线性有限元模型的基础之上,从减小管道计算长度的角度,利用非线性弹簧模拟远离断层处埋地管道的反应,引入美国生命线联盟推荐的公式以考虑管土非线性相互作用和土体种类的影响,分别基于管道钢三折线模型和Ramberg-Osgood模型,提出了等效边界非线性弹簧在管土之间小变形段管道达到极限应力之前的力-位移关系,建立了断层作用下埋地钢质管道等效边界管壳单元非线性有限元模型,进一步减小了有限元分析的管道计算长度,提高了有限元分析效率。通过与常规有限元模型比较,说明了采用Kennedy方法可合理确定场地土均一走滑断层作用下埋地钢质管道等效边界有限元模型的管道计算长度,验证了等效边界有限元分析模型的合理性和有效性。 分别采用管道钢的双折线模型和Ramberg-Osgood模型,提出了一套较为精确的均一场地走滑断层作用下埋地钢质管道反应计算的解析方法。该方法较为严密地考虑了管土相互作用的非线性,基于弹性地基梁和弹性梁理论,得到了场地土均—走滑断层作用下埋地钢质管道潜在破坏位置、沿管道变形与应变解析式以及管道轴向总应力和总应变最大值的解析解。与已有解析方法和三维非线性有限元分析比较验证,结果表明,在较小和中等的断层错动作用下,本方法计算得到的管道最大轴向总应变与有限元分析结果吻合较好,在断层错动量较大时逐渐偏于保守;管道潜在破坏位置和水平横向管土相对位移与有限元分析结果非常接近;对于小断层错动作用下的大口径埋地钢质管道,特别是在穿越角较小时,管土相互作用非线性的影响不容忽视。 采用管道钢Ramberg-Osgood模型,提出了一套断层作用下埋地钢质管道反应分析的解析方法。该方法适用于断层两侧场地土非均一及使得管道发生拉伸破坏的任意断层错动形式,推导得到管道潜在破坏位置、沿管道变形与应变解析式以及管道最大轴向总应力、总应变和场地土均一走滑断层作用下埋地管道与断层交叉点处转角的解析解,并可通过增加分段进行扩展进一步提高解析解的精度。通过与三维非线性有限元分析的比较,验证了方法的合理性和正确性,并得出了一些有意义的结论。同时将论文提出的解析方法与前人的相关成果进行了集成化处理,开发了一套基于解析方法的断层作用下埋地钢质管道反应分析的软件系统。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:U173.1

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