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交通荷载作用下软土地基中管道的受力分析模型研究

吴小刚  
【摘要】: 管道作为物流输送的一种有效手段在现代工农业生产和人民生活中起着重要的作用,是除公路、铁路、水运和航空以外的第五大运输方式,也被誉为生命线工程。随着社会进步,城市化水平的提高,作为城市动脉的管道工程的破坏所导致的对人类正常生活和生产的影响引起越来越广泛的重视,人们逐渐对建在软基上同时受交通荷载作用的管道系统的可靠性和安全性提出更高的要求,开展交通荷载下软基中管道受力分析模型研究课题对社会发展、工程建设和人民生活都具有重要意义。 本文在总结、归纳、分析国内外关于管道受力分析的有关成果的基础上,提出了目前管道受力分析研究的重点和难点。 文中基于基本假定,建立了长期均布交通荷载作用下管道的地基梁受力模型,分析了管道在静态载荷作用下的力学性状,并对支座形式、地基系数、管道刚度等影响因素进行了相关分析。 管道与土体在动力下的相互作用是一个耦合系统问题,本文从荷载、土体、管-土整体三个方面深入探讨了动力荷载下管-土耦合系统的基本特征:随机性、动态变化性、耦合性、非线性等。 荷载的作用,最终要通过土体介质的传递到达管道本身,从而使得管道发生力学性状响应,因此,文中以粘弹性理论为基础,通过数学变换、推导,提出了荷载在土体中的传播特性和计算方法,使得管道的动力激励部分问题得解。 本文采用Eular-Bernonulli梁模型和Tomosimko梁模型对动力下Kelvin粘弹性地基中管道固有振动性状进行了分析,提出了各力学结果描述的解析式;并以Eular-Bernonulli梁模型为主,基于脉冲函数、振型迭加法等对管道在动力交通荷载作用下的管道响应问题提出简单便捷的解析算法;在管道受力结果的分析中,考虑管道响应输出的随机性,将管道响应用随机过程来描述其概率特征,使得结果描述更加真实准确。同时,建立了考虑管-土系统参数在动力下存在动态变化特点的交通荷载下管道的Eular-Bernoulli地基梁受力模型,分别对参数随着空间和空间变化时的位移响应提出了详细的解析求解过程,从而保证了管土系统在动力下参数随时空动态变化条件下解析求解方法的科学性与完备性。 文中还将受交通荷载作用下的管道简化为多跨连续梁受力模型进行研究,应用结构力学方法分析了简谐交通荷载下管道受力响应的特征;并考虑参数变化的随机性,采用了摄动理论对管-土参变系统进行了其响应的概率特征描述,提出了简便的分析方法。 应用数值技术可以有效的进行实际复杂情况的模拟,因此,文中对管道在恒定交通荷 载和简谐荷载下管道的纵向以及横向受力特性进行了数值模拟计算,主要采用比较适合于土 体计算的A baq二软件进行,同时也对其各影响因素作了相关敏感性分析。 本文基于管道的宏观受力损伤破坏机理,即考虑管道的激励和响应两个状态,主要运 用了损伤理论、应力一强度干涉理论、参变理论等,并全面引入结构可靠度理论,将影响管 道结构可靠性的各种因素均视为随机变量,寻求各变量的统计规律,从而确定管道结构的失 效概率等参数,从而建立了管道在考虑线性损伤、损伤概率、模糊损伤失效等各种复杂的情 况下的受力损伤可靠度分析模型,从另一个层面上对管道的受力破坏研究提出了解决途径。


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