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充满流体管道在断层作用下的性能分析

张超  
【摘要】: 随着国民经济的迅速发展,地下管线作为现代城市基础设施的重要组成部分,在现代化工业生产和人民生活中占有越来越重要的位置。因此,对埋地管道在地震断层作用下的受力性能进行研究是非常必要的。本文以断层作用下充满流体的埋地管道为研究对象,所做工作如下: 首先对国内外关于地震断层作用下跨越断层埋地管道反应分析的理论方法,以及地震作用下造成跨断层埋地管道破坏的原因及主要影响因素进行了探讨,提出了本文研究所采用的力学分析模型:管道—土体—弹簧—弹簧模型。为了在保证计算精度的同时提高计算效率,管道周围的近断层土体采用实体模型进行分析,考虑管道与土体之间的接触摩擦;管道周围的远断层土体采用等效非线性土弹簧进行分析;管道两端的管土间相互作用亦采用等效非线性弹簧进行分析。 然后,采用有限元分析软件ANSYS将所提出的管道—土体—弹簧—弹簧模型进行了有限元实现,建立了跨断层充液管道的三维有限元模型。采用壳单元SHELL181和三维流体单元FLUID30分别对管道和管内流体进行了模拟;在距断层不同的长度范围分别采用非线性弹簧单元COMBIN39、三维实体单元SOLID45和接触对单元对土体及管土间相互作用进行了模拟,并采用DP材料模拟土体特性。有限元模型考虑了管道与土体的材料非线性、几何非线性、管土的相互作用以及管道与管内流体的流固耦合作用。并且,通过具体的有限元算例,分析比较了管道内流体密度和流体压力对跨断层埋地管道动力响应的影响;验证了近断层采用实体建模的长度范围。 而后,采用经验证后的有限元模型对具体算例进行了模拟,通过其结果分析比较了管道直径、管道壁厚、管道埋深、管道与断层的交角等参数对跨断层埋地管道动力响应的影响,得出一些基本结论。 最后,介绍了我国规范关于跨越断层埋地管道的计算方法,按照此法对本文有限元算例进行了计算,并将其结果与有限元算例结果进行了对比,建议修改完善。


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