亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        機坪輸油管道荷載附加應力分析

        2013-12-02 07:58:40周正峰凌建明黃崇偉
        同濟大學學報(自然科學版) 2013年8期
        關鍵詞:管頂徑向有限元

        周正峰,凌建明,梁 斌,黃崇偉

        (1.西南交通大學 土木工程學院,四川 成都610031;2.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室,上海201804;3.中國航空油料有限責任公司,北京100088;4.上海市城市建設設計研究總院博士后工作站,上海200125)

        機坪輸油管道埋設于飛行區(qū)停機坪以下,為飛機提供航油,是機場的生命線工程,安全可靠性要求極高.機坪輸油管道直接或間接承受著各種類型荷載的作用,包括填土及道面結構重力、航油內壓、飛機荷載等;同時,管道受力還受其埋設方式等因素的影響.在這些荷載作用和因素影響之下,管道的受力狀態(tài)比較復雜,對其正常使用帶來嚴峻挑戰(zhàn).

        為了保證管道結構的強度、剛度和穩(wěn)定性,必須首先明確管道受到的外荷載,然后分析外荷載引起的管道結構自身應力、變形和穩(wěn)定性是否滿足要求.目前,針對管道受到的土壓力和交通荷載兩種最常見的外荷載,國內外學者提出了多種計算模型.管道土壓力計算模型主要有:①基于極限平衡理論的土柱滑動 面 模 型(如Marston 模 型[1]、曾 國 熙 模 型[2]等);②從變形條件出發(fā)的彈性地基梁模型(如顧安全模型[3]、折學森模型[4-5]等);③經(jīng)驗土壓力集中系數(shù)模型[6]等.管道交通荷載附加應力計算模型主要有分布角法或Boussinesq法[6-7],兩者均將交通荷載視為靜力或擬靜力荷載(通過動載系數(shù)反映動力荷載的影響).

        然而,上述土壓力和交通荷載附加應力計算模型大都針對剛性管,而埋設于土基中的輸油管道為薄壁鋼管,管土之間存在相互作用與變形協(xié)調,與計算模型假設條件不符,且關于施工期間施工荷載和運行期間大型飛機荷載作用引起的管道附加應力也不明確,有必要開展相關研究.

        鑒于此,筆者應用有限元軟件ABAQUS,建立考慮管土相互作用的輸油管道有限元模型,分析飛機荷載、施工重型車輛荷載和壓路機荷載等主要外荷載作用產生的管道附加應力,以及由其引起的管道結構應力和變形.

        1 管道結構有限元分析模型

        首先建立一個基本模型,通過對比基本模型與參數(shù)相同的理論模型的計算結果,驗證基本模型的可靠性,在此基礎上,再施加管土實際接觸條件和所受各種荷載.

        基本模型中輸油管道管徑D為610mm、壁厚δ為10.3mm,管材模量Ep為2.05×105MPa,泊松比μp 為0.3.不考慮管道自重,管頂埋深H假定為3D(1.83 m),管周土質均勻,容重γ取18kN·m-3,變形模量E取8 MPa,泊松比μ取0.35,內摩擦角φ為30°,不考慮土體粘聚力,并假定管土之間為完全接觸,對于這樣一個求解管周應力的問題,日本東田淳推導出了彈性理論解[8].

        通過收斂性分析,確定管道三維有限元模型參數(shù):管道單元采用線性實體單元C3D8,網(wǎng)格密度沿壁厚劃分6個單元、沿環(huán)向劃分72個單元、沿軸向每米劃分40個單元;管道模型尺寸為兩側距管道中心6.5D、土基底部距管道中心6.5D,管道軸向長10D.管道三維有限元模型如圖1所示.

        圖1 管道結構有限元模型Fig.1 Finite element model for oil pipe

        有限元模型與彈性理論解計算得到的管周土壓力分布如圖2所示.兩者除在管底附近徑向土壓力偏差較大外,其他位置的徑向和切向土壓力都十分接近.管底位置徑向土壓力存在偏差的主要原因是彈性理論解公式推導中假設的應力邊界條件存在局限性,適合于深埋管道的土壓力計算,得到的管頂與管底徑向土壓力相等[9];而有限元解得到的管底徑向土壓力稍大于管頂,更符合管道實際受力情況,從而驗證了有限元模型的可靠性.

        圖2 管道土壓力分布對比分析Fig.2 Comparative analysis of earth pressure distribution

        2 管道附加應力分布特征

        分析管道附加應力分布特征時,在基本模型上施加E類飛機B777-200主起落架的一個機輪,荷載參數(shù)見表1,荷載作用在管道的正上方.同時,考慮管道與周圍土體的實際接觸狀況,采用庫倫摩擦模型模擬管土接觸面上的法向和切向力學行為,取管土摩擦系數(shù)為0.25[10].在管頂埋深H分別為1D、3D、5D時,管周附加應力沿管道徑向和切向的分布如圖3所示.

        表1 分析管道附加應力分布特征所用荷載參數(shù)Tab.1 Loading parameters for analyzing additional stress distribution characteristics

        雖然采用徑向和切向附加應力能夠反映管道的實際受力狀況,但不便于設計計算,將其轉化為豎向和水平向應力,以及豎向和水平向平均應力,表示如下:

        式中:σy、σx分別為豎向與水平向應力分別為豎向與水平向平均應力;σθ、τθ分別為徑向與切向應力;θ為管周位置,規(guī)定管頂為0°,沿順時針增大.轉化后,管周附加應力沿豎向和水平向的分布如圖4所示.

        由圖3—4可見:(1)最大徑向或豎向附加應力出現(xiàn)在管頂,最大切向或水平向附加應力出現(xiàn)在距管頂15°~30°的范圍內;(2)在管頂至管兩側60°的范圍內,不同管道埋深(管頂至土基頂面,下同)對應的管周附加應力有顯著差異,而在管周其他部位,附加應力受管道埋深的影響較小;(3)在管頂至管兩側60°的范圍內,管周附加應力均近似呈拋物線分布,且最大附加應力值隨埋深的增大迅速減小.

        常用的管道結構內力和變形計算模型,如葉氏和Spangler模型,忽略了作用在管道上的切向力,未充分有效考慮管土相互作用,且管周受力分布假定與實際有較大差異,進而導致管道結構內力和變形計算存在局限性[8].采用本文有限元模型,計算得到的管道結構應力和變形分布如圖5所示,可見,由附加應力引起的管道結構應力最大值出現(xiàn)在管頂截面,但在靠近管側截面,出現(xiàn)管道結構應力的第二峰值,這主要是由于管側位置管道發(fā)生較大的水平向變形(圖5b),迫使土體產生較大的彈性抗力來約束和抑制管道變形,即管土之間存在相互作用與變形協(xié)調,導致管道在變形較大處出現(xiàn)較大的應力.

        圖5 管道結構應力和變形分布Fig.5 Pipe structural stress and deformation distribution

        3 管道附加應力及管道結構響應

        分析機坪輸油管道附加應力時,主要考慮管道在運行期和施工期承受的主要外荷載類型,包括飛機荷載、施工重型車輛荷載和壓路機荷載.

        3.1 飛機荷載作用

        考慮厚度很小的道面結構上作用荷載很大的飛機的不利情況.飛機荷載選取E 類飛機B777-200的主起落架,荷載參數(shù)見表2,機坪道面結構假設為30 cm 面層+15cm 基層+15cm 底基層,道面結構參數(shù)見表3,荷載作用位置為管道的正上方.在管頂埋深H為1D~6D(0.61m~3.66m)時,管道附加應力沿管道徑向和切向的分布如圖6所示,引起的管道結構最大應力和變形如圖7所示.

        表2 B777-200主起落架荷載參數(shù)Tab.2 Loading parameters for B777-200main loading gear

        可見,道面結構荷載擴散效應顯著,即使管道埋深小至1倍管徑,管道結構應力仍遠小于管材許用應力176.4 MPa的強度控制標準,管道水平徑向變形仍遠小于管徑3%的剛度控制標準.因此,在鋪筑混凝土道面結構后,一般可不考慮道面上飛機荷載對下部埋設管道的影響.

        圖6 B777-200主起落架作用下管道附加應力分布Fig.6 Additional stress distribution under B777-200 main loading gear

        3.2 施工重型車輛作用

        施工重型車輛選取雙軸雙輪荷載,荷載參數(shù)見表4,荷載直接作用在土基頂面.在管頂埋深H為1D~6D(0.61m~3.66m)時,引起的管道結構最大應力和變形如圖8所示.

        表3 機坪道面結構參數(shù)Tab.3 Parameters for the apron pavement

        圖7 B777-200主起落架作用下管道結構應力與變形Fig.7 Maximum stress and deformation of pipe under B777-200main loading gear

        表4 施工重型車輛荷載參數(shù)Tab.4 Loading parameters for construction heavy vehicles

        可見,與飛機荷載作用相似,在雙軸雙輪施工重型車輛作用下,即使管道埋深小至1倍管徑,管道結構應力和水平徑向變形仍遠小于相應控制標準.因此,在管道埋設施工過程中,一般可不計施工車輛對下部埋設管道的影響.

        圖8 施工重型車輛作用下管道結構應力與變形Fig.8 Maximum stress and deformation of pipe under construction heavy vehicles

        3.3 施工壓路機荷載作用

        施工壓路機荷載選取XS220 單鋼輪振動壓路機,振動輪對被壓實層施加的振動作用力近似等于振動輪重與離心力之和,在一個振動周期內,振動壓路機對壓實層的作用力P隨時間變化的規(guī)律可簡化為:

        式中:P為振動輪對被壓實層施加的垂直作用力;G為振動輪凈重;F0為激振力;ω為振動角速度;t為時間.振動鋼輪與被壓實層材料的接觸面近似為矩形,并假設振動壓應力均勻分布:

        式中:p為振動壓應力;L為振動輪寬;B為振動輪接地寬度,計算如下:

        式中:d為振動輪直徑;β為振動輪阻角,取8.836[11].XS220單鋼輪振動壓路機的壓實參數(shù)見表5.

        表5 XS220主要壓實參數(shù)Tab.5 Compaction parameters for XS220

        通過試算,發(fā)現(xiàn)當XS220高振幅振動壓應力直接作用在土基頂面時,在管道埋深為1倍管徑時,引起的管道結構應力和水平徑向變形要遠大于飛機荷載和施工重型車輛荷載作用,尤其是應力達到了管材允許強度,是最不利的外荷載類型,對管道埋深有重要影響.進一步針對目前機坪常用輸油管道進行計算,得到各管道管頂埋深H為1D~6D時,管道附加應力比Cy、Cx,以及引起的管道結構最大應力和變形,分別如圖9—10所示,以便在實際工程應用中直接查取.其中豎向、水平向附加應力比Cy、Cx的計算公式為

        式中:r為填土容重;H為土基頂面至管頂?shù)木嚯x;H′為土基頂面至管道中心的距離.

        4 結論

        (1)應用ABAQUS有限元軟件,采用庫倫摩擦模型模擬管土相互作用,并與現(xiàn)有理論模型計算結果相比較,建立并驗證了管道結構有限元分析模型.

        (2)揭示了管周附加應力的分布特征:最大徑向或豎向附加應力出現(xiàn)在管頂,不同管道埋深對應的管周附加應力在管頂至管兩側60°的范圍內有顯著差異,且該范圍內附加應力近似呈拋物線分布;由附加應力引起的管道結構應力最大值出現(xiàn)在管頂截面,在管側最大水平徑向變形處出現(xiàn)管道結構應力的第二峰值.

        (3)提出了飛機、施工重型車輛、施工壓路機等荷載作用下管道附加應力,及其引起的管道結構應力和變形隨埋深的變化規(guī)律.即使管道埋深小至1倍管徑時,飛機荷載和施工重型車輛荷載引起的管道應力和變形仍遠小于管道容許值,而壓路機高振幅振動壓應力引起的管道結構應力達到管道強度失效的臨界標準;并針對常用機坪輸油管道,計算給出了管道附加應力比和管道結構最大應力與變形,可供實際工程參考.

        [1] Spangler M G.Underground conduits-an appraisal of modern research[C]//Transactions of the American Society of Civil Engineers.Washington D C:ASCE,1948:368-374.

        [2] 曾國熙.土壩下涵管豎向土壓力的計算[J].浙江大學學報,1960:5(1):79.ZENG Guoxi.Calculation of vertical earth pressure on the conduit under culvert[J].Journal of Zhejiang University,1960:5(1):79.

        [3] 顧安全.上埋式管道及洞室垂直土壓力的研究[J].巖土工程

        學報,1981,3(1):3.GU Anquan.Investigation of the vertical earth pressure on projecting conduit and underground chamber under a high embankment[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,1981,3(1):3.

        [4] 折學森,顧安全.高填土下管道土壓力的分析[J].西安公路學院學報,1992,12(4):27.SHE Xuesen,GU Anquan.Study of the earth pressure on conduit under the deeper earth[J].Journal of Xi’an University of Highway,1992,12(4):27.

        [5] 折學森.路基涵洞的土壓力計算[J].中國公路學報,1992,5(3):72.SHE Xuesen.The calculation of vertical earth pressure on buried conduit under roadbed[J].China Journal of Highway and Transport,1992,5(3):72.

        [6] 中華人民共和國建設部.GB50332—2002 給水排水工程管道結構設計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.Ministry of Construction of the P R China.GB 50332—2002 Structural design code for pipeline water supply and waste water engineering[S].Beijing:China Architecture and Building Press,2002.

        [7] Munaz A.Noor,Ashutosh S Dhar.Three-dimensional response of buried pipe under vehicle loads[C]//New Pipeline Technologies,Security and Safety.Baltimore:ASCE,2003:658-665.

        [8] 劉全林.地埋管道與土相互作用分析及其計算方法的研究[D].上海:同濟大學土木工程學院,2002.LIU Quanlin.Soil-structure interaction analysis of buried pipelines and study of its stress &deformation calculating Method[D].Shanghai:College of Civil Engineering of Tongji University,2002.

        [9] 王直民.交通荷載作用下埋地管道的力學性狀研究[D].杭州:浙江大學建筑工程學院,2006.WANG Zhimin.Study on mechanical behaviors of buried pipelines under traffic loads[D].Hangzhou:College of Civil Engineering and Architecture of Zhejiang University,2006.

        [10] 中國工程建設標準化協(xié)會標準.CECS 141—2002給水排水工程埋地鋼管管道結構設計規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.China Association for Engineering Construction Standardization.CECS 141—2002 Specification for structural design of buried steel pipeline of water supply and sewerage engineering[S].Beijing:China Architecture and Building Press,2002.

        [11] 支喜蘭,江曉霞,沙愛民.路面基層振動壓實作用下的底基層應力[J].長安大學學報:自然科學版.2003,23(3):33.ZHI Xilan,JIANG Xiaoxia,SHA Aimin.Pavement subbase course stress by vibrating compaction on course[J].Journal of Chang’an University:Natural Science Edition,2003,23(3):33.

        猜你喜歡
        管頂徑向有限元
        城鎮(zhèn)埋地聚乙烯燃氣管道安全埋深分析
        改進型雙膠圈鋼制承插口鋼筋混凝土管頂管施工工藝技術探討
        淺探徑向連接體的圓周運動
        RN上一類Kirchhoff型方程徑向對稱正解的存在性
        基于PID+前饋的3MN徑向鍛造機控制系統(tǒng)的研究
        重型機械(2020年3期)2020-08-24 08:31:40
        一類無窮下級整函數(shù)的Julia集的徑向分布
        市政道路排水工程污水管頂管施工技術研究
        中華建設(2019年8期)2019-09-25 08:26:46
        埋地穿路鋼質管道承受豎向載荷的計算方法
        磨削淬硬殘余應力的有限元分析
        基于SolidWorks的吸嘴支撐臂有限元分析
        无码小电影在线观看网站免费| 国产一区二区三区免费小视频| 日本一区二区三区在线视频播放| 国产精品久久久久久久久电影网| 99精品国产一区二区三区a片 | 一区二区三区成人av| 久久精品熟女亚洲av麻| 日夜啪啪一区二区三区| 大香焦av一区二区三区| 国产精品无码aⅴ嫩草| 欧美丰满熟妇bbbbbb百度| 国产真人无遮挡免费视频| 久久亚洲精品国产精品婷婷| 精品人妻av一区二区三区麻豆| 女人被狂躁c到高潮| 国产精品6| 精品国产麻豆一区二区三区| 久久精品国产亚洲av天 | 五月开心婷婷六月综合| 久久久久久好爽爽久久| 青青国产成人久久91| 国产精品一品二区三区| 久久人妻少妇嫩草av| 牛鞭伸入女人下身的真视频| 午夜无码亚| 极品尤物在线精品一区二区三区 | 一本色道久久88—综合亚洲精品| 欧美乱妇高清无乱码在线观看| 一级呦女专区毛片| 久久这黄色精品免费久| 欧美丰满少妇xxxx性| 国产第一页屁屁影院| 日韩国产自拍精品在线| 国产一区二区三区不卡在线观看 | 中文字幕一区二区三区四区五区 | 欧美老妇人与禽交| 日本高清一区二区三区视频| 中国人在线观看免费的视频播放| v一区无码内射国产| 色系免费一区二区三区| 久久想要爱蜜臀av一区二区三区|