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    管道纵向受力分析模式初探

    2019-05-13   来源:   点击数:0次 选择视力保护色: 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)   合适字体大小:
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     中国钢管信息港资讯部获悉:疲劳裂纹扩展速率研究本次实物疲劳试验一共进行了约50h,其间预制疲劳加载周期约5200次,最后在预制裂纹处裂纹萌生。随后加大疲劳载荷,萌生裂纹经过缓慢扩展、稳定扩展以及失稳扩展阶段后扩展至内表面,并形成穿透裂纹,导致该处发生泄漏,并伴随有压力降低现象,于是停止试验。疲劳扩展及失稳过程加载周期约1620次,而计算结果为1465次,偏于保守。这是由于油气输送用钢管基本上是薄壁大口径,裂纹尖端主要是平面应力状态,而采用式(5)计算钢管裂纹尖端应力强度因子时,裂纹尖端的平面应力状态将使计算结果偏于保守。计算整理后得到实物疲劳裂纹扩展lgda/dN-lgAK曲线如所示。
     
      实物试验测得的裂纹扩展曲线裂纹稳定扩展期较长,裂纹快速扩展期相对较短。裂纹稳定扩展阶段疲劳裂纹扩展速率方程为da/dN=3.22X1010(Ak)284(9)对于含裂纹类缺陷的钢管,在管线运行过程中承受内压波动后,裂纹缺陷不经过疲劳裂纹萌生阶段,直接进入裂纹的稳定扩展阶段和快速失稳扩展阶段。如果在裂纹发生快速失稳扩展以前不能够检测到裂纹的存在,则服役管线将发生断裂失效事故。
     
      为了试验研究的方便,试验中,只考虑了裂纹尺寸大小对钢管疲劳裂纹扩展寿命的影响。然而实际管线中对疲劳扩展寿命的影响因素要复杂得多,其中诸如焊接残余应力、环境温度变化、地层移动以及土壤和输送介质的腐蚀等,对管道中裂纹的疲劳扩展都有一定的促进作用,这些问题有待于继续深入研究。
     
     
     中国钢管信息港资讯部获悉:现着重讨论垂直荷载作用下的管道纵向受力分析模式的确定与计算。i实际受力模型的建立没有一种通用的受力模型可以适用于任何的管道受力情形,对于不同的受力模式,需要进行不同的简化设计,以便对应各自的受力特点。在给水排水工程中,经常隔一定距离设置支墩、检查井、切换井等构筑物,用来满足管道的受力条件或便于进行管道的检修,其间距的规定详细可见:〈设计手册》。又如在工业排水中,对于进行料渣水力输送的管道,需要设置管底支座,支座采用嵌固法浇筑,即用嵌固构筑物将管道固定,其间距应根据管材的强度与刚度大小,并通过计算来加以确定。对于类似上述情况的由多节管道组成的长距离管线,都可以将其简化成弹性地基梁形式。具体简化过程可概括为“两个选择,两个简化,两个假定”。
     
      1.地基反力模型的选择纵向受力分析时,可将管线简化成弹性地基梁来计算。要进行地基梁的计算首先必须建立某种理想化的地基计算模式。至于地基模式的选择问题,主要从两个方面来考虑:即为了尽可能准确地模拟地基与梁相互作用时所表现出的力学性状,同时,又要便于利用己有的数学方法进行分析。长距离地下管线计算中,可以只考虑荷载范围内的沉降问题而不考虑地基边界无载区的相关连续性,实际情况与文克尔模型较为一致,再从计算简便考虑,选择了文克尔地基模式。
     
      1.2计算方法的选择式由于在计算模,假定垂直荷载均匀分布,因此在单一的荷载作用下,选择初参数法进行计算。所谓梁的初参数法即以几个初始截面参数来代替常微分方程解中的积分常数,其优点为:第一是使积分常数具有明确的物理意义,第二是可根据参数的物理意义寻求简化的途径。
     
      13两端支座的简化地下管道作为地下结构,在计算中有一个特点:就是需要考虑地下结构与土体的共同作用。地下结构受到的荷载来源于开挖回填及蠕变产生的土体变形压力,且地下结构随着土体的变形而变形。对于一般的地下管线,考虑覆土厚度与施工工艺两个条件的相互作用。因而,本来的固定支座可能由于小覆土厚度等的影响,而产生一定的转动,形成工程中所谓的影响,而可以承受一定的弯矩。所以对于工程中的管道支座,我们可以仅讨论固接与铰接两种极端情况下的内力,一般的地下管线的内力可由两者根据其影响程度的不同相叠加而得。即考虑支座的各个影响因素,确定一个刚度系数Kz,利用形如:F=KzXFg Fj的式子求解一般的地下管线的内力。
     
      为不失一般性,本文的具体计算模式以固结支座为例进行。
     
      1.4垂直地基反力合力的简化长距离管线在下埋时,圆管受到地基土层与管基作用而产生地基反力,从力学分析可知,它所受的是一个环向的呈辐射状的反力。由于本文主要讨论在整体上管线的纵向受力性状,而对圆管的截面强度、刚度、变形等的计算则不予考虑。因此可以用一个集中力来代替其辐射状的地基反力,具体的受力见。5地基均布假定对于文克尔弹性地基梁,合理地选择基床系数K值,对计算成果的精确性和可靠性,有很大的影响。
     
      实际上,沿着长距离管线底部,各点的基床系数值是不一样的,而是随着位置的不同而不同,在本文中,为了便于分析问题,假定K值为一个常数,而且鉴于软土地基中管道事故的多发性,本文实例分析时取K值为16管道轴向等刚度假定实际地下管线本身是由许多的管节一节一节连接而成的,管节之间的接口刚度与管节本身的刚度之间有一定差异,这与管节材料,接口方式等有关。本文针对长距离管线的整体进行分析,假定管线沿着轴向刚度具有均一性。
     
      还有,在计算管道的挠度与转角时,实际上管道在纵向具有一定的延伸长度的,但是,其变形是微小的。变形后管线轴线是一条平坦曲线,则横截面形心沿着X轴方向的线位移与挠度相比属于高阶微量,从而在计算中往往将其忽略。
     
      最后,可以简化其受力模式为(以固端支座为例)。
     
      2模型的求解本模型的求解是采用初参数法进行的。针对上述的模型,首先可以写出其弹性地基梁的基本微分方程如下:EI管道的刚度;上述微分方程的解是由齐次方程的通解与非齐次方程的特解组成的,即⑵式采用初参数法,把四个积分常数A、B、C、D改成用初参数挠度yo、转角9、弯矩M、剪力Q.本文继续推导出均布荷载作用下的挠度修正项为根据上述的对y(x)的挠度方程的推导,再对照原始模型中的受力条件,可写出位移方程y()如下:最后由左、右边界,同时注意受力对称性,即得:化简可得固端模式下挠度y(x)的最终初参数法解析解:(令x'=L*x以下同)()式依次可得转角、弯矩、剪力的解析解如下:()式同理,本文得出铰接支座模型的各个内力解析解如式3计算结果的分析:在通过初参数法解得弹性地基梁基本微分方程的解析解基础上,本文进行了进一步的分析。管道各点的内力计算及调用AutoCAD软件绘制内力图的工作通过编程实现。基于在我们目前的实际工作中,在软弱土基上铺设管道时需要进行谨慎的计算设计,特选定软土地基为例来加以分析,采用管道的实际参数具体如下:3.1挠度分析(挠度进行了单向放大,数据文件y.lim不予列出)-(b)铰端计算模型的挠曲线图挠曲线图(挠度己单向放大到10倍)显示:长距离管线在理想状态下,其中间的大部分管道不存在挠度过大问题,管段与管段之间的相对转角也不可能超过允许转角,而且,两端部只在很小的范围内对管线的挠度产生影响,固支与铰支两种情况在这方面差别不大。其中,长距离管线挠度与实际相比偏小。
     
      经分析,是由于以下原因造成:1)在确定计算模型时,假定了管线纵向刚度的均一性,从而增强了管道纵向的整体抗弯性能,使地下管线的挠度减少。2)考虑了土基对管道的理想作用,在实际中,常会由于填土不密实等因素使土体对管线不能作用完全。
     
      在对称均布荷载作用下,随着管线的长度增长,除出现挠度剧变(相对于挠度几乎不变的中间部分来说)的梁的两端部外,梁的挠度(x)基本趋于不变。即:由于本文所研宄的对象是长距离管线,其双曲线函数中的,和随着肛值的改变而变化,而且变化很快很大:因此,上的sin值对Ma影响很小,可以忽略不计。卩值代入,得简化式:则由上式得固端弯矩的影响因素为:管道的刚度EI地基的系数k,荷载q.即固端弯矩的大小与管道的刚度的平方根、荷载q成正比;而与地基的系数k的平方根成反比。
     
      中国钢管信息港资讯部获悉:剪力分析(数据文件q.lim不予列出)固端支座的剪力图,见-(a):铰端支座的剪力图,见剪力舰-(b)铰端计算模型的剪力图剪力图表明:剪力与弯矩相似。剪力最大值随着管线长度的增长,也几乎保持不变,固端支座时,端部剪力的最大值为附近相反剪力的十倍左右,而铰端支座时,则为五倍左右。最危险的受剪区域在管道的两端部分,而且铰端相对比固端的受剪情形更危险一些,其中两者的端部剪力大小直接影响到管道的设由上述弯矩图得:随着管线长度的增长,管道两端弯矩(其中铰端弯矩为零)几乎保持不变,即管道两端的作用区域是有限的,只能在一定距离内对管线端部弯矩起作用。在实际工程应用中,端部弯矩问题很重要,因为上述管道受力最危险的区域就在管道的端部,其所承受的弯矩最大,所以它的大小直接影响到管道的设计与施工环节。在很多的现场施工中,端部往往采用铰接的支座形式,以减少端部弯矩对管道的破坏作用,但是由于铰接支座实际施工工艺相当复杂,在端部弯矩不太大的情况下,还是采用固接的支座形式。下面讨论端部弯矩的影响因素,以便可以对端部弯矩进行定性判断:由弯矩计算式得,固端的最大弯矩为:-(a)固端计算模型的剪力图计与施工环节。下面讨论固端剪力的影响因素。
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