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        交變載荷作用下埋地天然氣管道受力特性

        2014-07-23 06:24:46同濟(jì)大學(xué)劉東京周偉國滕卯寅潘新新
        上海煤氣 2014年2期
        關(guān)鍵詞:管頂內(nèi)壓受力

        同濟(jì)大學(xué) 劉東京 周偉國 滕卯寅 潘新新

        關(guān)于管道受力分析,國內(nèi)外主要研究在特殊工況下的管道受力特性,如地層塌陷、地基沉降、沖蝕破壞等條件下的管道受力分析。天然氣管道通常埋設(shè)在路面以下,直接或間接作用在埋地管道上的載荷主要有管道結(jié)構(gòu)自重、填土壓力等恒載,以及交通載荷、地面堆載、管道內(nèi)壓等載荷。其中,內(nèi)壓、土載、外載是埋地管道最主要和作用最頻繁的載荷。土載在有限元分析中一般作為靜載考慮,載荷計(jì)算依據(jù)各層土的性質(zhì)。內(nèi)壓波動(dòng)和外載(或交通載荷)即為交變載荷。交通載荷按照隨時(shí)間是否變化,可分為靜載荷和動(dòng)載荷兩大類,本文主要對(duì)管道的動(dòng)載荷模型進(jìn)行研究。

        對(duì)于深埋天然氣管道,可將車輛輪胎載荷近似地簡(jiǎn)化為路面集中點(diǎn)載荷;線載荷也是對(duì)真實(shí)輪胎載荷的近似,可用于平面分析模型中;面載荷最接近于輪胎的實(shí)際接地軌跡,一般用于三維淺埋的埋地管道分析模型。由于城市燃?xì)饴竦毓艿缆裨O(shè)深度不會(huì)很深,為了滿足某些特定環(huán)境下管道的鋪設(shè),還要在強(qiáng)度要求下盡量淺埋,因此三維模型采用矩形面源載荷進(jìn)行處理。

        1 有限元模型

        1.1 建模方法

        (1)幾何模型。管道采用各向同性的線彈性體模型;回填土部分采用彈塑性體模型;地基若是條件好的硬基,則采用線彈性體模型,若是土性差的基礎(chǔ),則采用彈塑性體模型。

        (2)土體模型。管土相互作用的回填土模型,根據(jù)實(shí)際填土情況簡(jiǎn)化為三層,由上至下依次為面層、基層以及地基層。地基層的土壤性質(zhì)由現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境決定,基層為埋管周圍回填土,多采用砂土或者原狀土,面層為原狀土或者路面混凝土。

        (3)單元模型。采用空間8節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)單元,管道和土體均采用固體單元。

        (4)約束模型。模型底面采用鏈桿支座,不允許有垂直方向的位移;模型各側(cè)面對(duì)法線方向進(jìn)行約束,填土表面屬于自由邊界。

        (5)接觸模型。管土接觸采用有限元摩擦接觸模型。分析土體與埋地管道結(jié)構(gòu)相互作用時(shí),認(rèn)為管土接觸面為非完全接觸,徑向位移相等,環(huán)向發(fā)生滑移。回填土與地基接觸面認(rèn)為是完全接觸。

        1.2 算例模型

        (1)管道參數(shù)。假設(shè)管道計(jì)算管長與管溝長度均為6 m,管徑325 mm,壁厚8 mm;鋼管的材質(zhì)Q235鋼,彈性模量2.1×1011Pa,密度7 800 kg/m3,泊松比0.3。

        (2)回填土參數(shù)。在計(jì)算模型中,回填土為亞粘土,其彈性模量為3 450 kPa,密度1 900 kg/m3,粘聚力為32.0 kPa,摩擦角為18.3。地基土呈自然平衡狀態(tài),容重等于0。

        (3)載荷參數(shù)。鋼管最大內(nèi)壓為2 MPa,交通載荷外載以動(dòng)載形式作用于管道上方,載荷作用區(qū)間簡(jiǎn)化為0.4×1.2 m的矩形,外載最大為0.5 MPa。土載在有限元分析中作為靜載考慮,載荷計(jì)算依據(jù)各層土的性質(zhì)。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 移動(dòng)載荷

        假設(shè)移動(dòng)載荷為恒幅載荷0.3 MPa,管道埋深0.8 m。移動(dòng)載荷從管道一側(cè)開始施加,隨著時(shí)間的增加,外載作用位置向管道另一側(cè)轉(zhuǎn)移,當(dāng)?shù)竭_(dá)另一側(cè)時(shí),載荷沿著原作用位置逆序返回,記為一個(gè)周期。由圖1和圖2可知,當(dāng)載荷初次通過管頂時(shí),管道各點(diǎn)豎向位移振蕩減小,穩(wěn)定后再次返回原作用點(diǎn)時(shí),管頂位移由于產(chǎn)生土體的緩沖作用,豎向位移較載荷初次作用時(shí)有一定程度的減小。在管道兩端處,管側(cè)應(yīng)變值最大,管頂和管底應(yīng)變值相對(duì)較??;當(dāng)移動(dòng)載荷作用在管道上方時(shí),對(duì)管頂和管底應(yīng)變的影響不是很大,主要受力影響發(fā)生在管側(cè)位置。

        圖1 移動(dòng)載荷對(duì)管道兩端各點(diǎn)豎向位移的影響

        圖2 移動(dòng)載荷對(duì)管道兩端各點(diǎn)應(yīng)變的影響

        2.2 內(nèi)壓變化

        內(nèi)壓波動(dòng)采用三角波進(jìn)行模擬,在一個(gè)周期內(nèi),內(nèi)壓從初始最小值0 MPa上升到最大值,然后又線性變化回初始值,管道埋深均為0.8 m。分別考慮在不同外載作用下,內(nèi)壓變化對(duì)埋地天然氣管道受力特性的影響。

        2.2.1 外載0 MPa,內(nèi)壓最大0.4 MPa

        由圖3和圖4可知,隨著管道內(nèi)壓的波動(dòng),管道兩端各點(diǎn)應(yīng)變值也相應(yīng)變化。在內(nèi)壓最大時(shí),管道各點(diǎn)應(yīng)變達(dá)到最大值,管底豎向位移同樣最大,管頂和管側(cè)豎向位移最小,且管側(cè)豎向位移變化幅度明顯小于管頂;在內(nèi)壓降到0 MPa時(shí),管頂豎向位移大于管側(cè)和管底豎向位移,且管底豎向位移最??;在內(nèi)壓達(dá)到0.4 MPa時(shí),管道兩端各點(diǎn)豎向位移呈相反變化。

        圖3 外載0 MPa內(nèi)壓0.4 MPa對(duì)管道兩端豎向位移的影響

        圖4 外載0 MPa內(nèi)壓0.4 MPa對(duì)管道兩端應(yīng)變的影響

        2.2.2 外載0.3 MPa, 內(nèi)壓最大0.8 MPa

        由圖5和圖6可知,在管道中心位置處,管頂和管底應(yīng)變變化趨勢(shì)基本相同,在內(nèi)壓最大時(shí)出現(xiàn)波谷,且均隨著內(nèi)壓的增大而減??;管側(cè)應(yīng)變相對(duì)較大,且在內(nèi)壓最大時(shí)達(dá)到最大值,應(yīng)變隨內(nèi)壓的增大而增大。管頂、管側(cè)、管底處豎向位移變化規(guī)律基本相同,呈波浪式起伏變化,且變化范圍隨內(nèi)壓增加逐漸減小。

        圖5 外載0.3 MPa內(nèi)壓0.8 MPa對(duì)管道中心位置豎向位移的影響

        圖6 外載0.3MPa內(nèi)壓0.8MPa對(duì)管道中心位置應(yīng)變的影響

        2.2.3 外載0.1 MPa,內(nèi)壓最大2 MPa

        由圖7和圖8可知,管道受內(nèi)壓作用,豎向位移變化規(guī)律與內(nèi)壓最大值為0.4 MPa、0.8 MPa時(shí)基本相同,但豎向位移相對(duì)較?。惠d荷作用時(shí)間越長,豎向位移變化趨勢(shì)越穩(wěn)定,最后趨于平緩。管道各點(diǎn)應(yīng)變?yōu)橹芷谛宰兓?,管頂和管底?yīng)變變化趨勢(shì)基本相同,隨內(nèi)壓增加,先小幅降低,然后逐漸增加,在內(nèi)壓最大時(shí)達(dá)到最大值,之后又逐漸降低,在與初始拐點(diǎn)對(duì)稱位置出現(xiàn)曲線的第三個(gè)拐點(diǎn),此后應(yīng)變逐漸增加。管道中心處管側(cè)應(yīng)變高于管頂和管底的應(yīng)變,且隨內(nèi)壓的增加,應(yīng)變逐漸增大,在內(nèi)壓最大時(shí)達(dá)到最大值,之后逐漸減小。

        圖7 外載0.1 MPa內(nèi)壓2 MPa對(duì)管道中心位置豎向位移的影響

        圖8 外載0.1 MPa內(nèi)壓2 MPa對(duì)管道中心位置應(yīng)變的影響

        3 結(jié)語

        當(dāng)移動(dòng)載荷作用在管頂上方時(shí),對(duì)管頂和管底的應(yīng)變影響不是很大,主要作用產(chǎn)生在管側(cè)位置。管頂豎向位移變化較為顯著,當(dāng)載荷初次通過管頂時(shí),管道各點(diǎn)豎向位移先振蕩減小,穩(wěn)定后再次返回原作用點(diǎn)時(shí),管頂位移由于產(chǎn)生土壤的緩沖作用,豎向位移較初次作用時(shí)有一定程度的減小。隨著管道內(nèi)壓的波動(dòng),管道各點(diǎn)應(yīng)變也相應(yīng)變化,在內(nèi)壓最大時(shí)管道應(yīng)變達(dá)到最大值,管頂和管側(cè)豎向位移則最小,管側(cè)豎向位移變化幅度明顯小于管頂。

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