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    管道縱向受力分析模式初探

    2019-05-13   來源:   點擊數:0次 選擇視力保護色: 杏仁黃 秋葉褐 胭脂紅 芥末綠 天藍 雪青 灰 銀河白(默認色)   合適字體大小:
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     中國鋼管信息港資訊部獲悉:疲勞裂紋擴展速率研究本次實物疲勞試驗一共進行了約50h,其間預制疲勞加載周期約5200次,最后在預制裂紋處裂紋萌生。隨后加大疲勞載荷,萌生裂紋經過緩慢擴展、穩定擴展以及失穩擴展階段后擴展至內表面,并形成穿透裂紋,導致該處發生泄漏,并伴隨有壓力降低現象,于是停止試驗。疲勞擴展及失穩過程加載周期約1620次,而計算結果為1465次,偏于保守。這是由于油氣輸送用鋼管基本上是薄壁大口徑,裂紋尖端主要是平面應力狀態,而采用式(5)計算鋼管裂紋尖端應力強度因子時,裂紋尖端的平面應力狀態將使計算結果偏于保守。計算整理后得到實物疲勞裂紋擴展lgda/dN-lgAK曲線如所示。
     
      實物試驗測得的裂紋擴展曲線裂紋穩定擴展期較長,裂紋快速擴展期相對較短。裂紋穩定擴展階段疲勞裂紋擴展速率方程為da/dN=3.22X1010(Ak)284(9)對于含裂紋類缺陷的鋼管,在管線運行過程中承受內壓波動后,裂紋缺陷不經過疲勞裂紋萌生階段,直接進入裂紋的穩定擴展階段和快速失穩擴展階段。如果在裂紋發生快速失穩擴展以前不能夠檢測到裂紋的存在,則服役管線將發生斷裂失效事故。
     
      為了試驗研究的方便,試驗中,只考慮了裂紋尺寸大小對鋼管疲勞裂紋擴展壽命的影響。然而實際管線中對疲勞擴展壽命的影響因素要復雜得多,其中諸如焊接殘余應力、環境溫度變化、地層移動以及土壤和輸送介質的腐蝕等,對管道中裂紋的疲勞擴展都有一定的促進作用,這些問題有待于繼續深入研究。
     
     
     中國鋼管信息港資訊部獲悉:現著重討論垂直荷載作用下的管道縱向受力分析模式的確定與計算。i實際受力模型的建立沒有一種通用的受力模型可以適用于任何的管道受力情形,對于不同的受力模式,需要進行不同的簡化設計,以便對應各自的受力特點。在給水排水工程中,經常隔一定距離設置支墩、檢查井、切換井等構筑物,用來滿足管道的受力條件或便于進行管道的檢修,其間距的規定詳細可見:〈設計手冊》。又如在工業排水中,對于進行料渣水力輸送的管道,需要設置管底支座,支座采用嵌固法澆筑,即用嵌固構筑物將管道固定,其間距應根據管材的強度與剛度大小,并通過計算來加以確定。對于類似上述情況的由多節管道組成的長距離管線,都可以將其簡化成彈性地基梁形式。具體簡化過程可概括為“兩個選擇,兩個簡化,兩個假定”。
     
      1.地基反力模型的選擇縱向受力分析時,可將管線簡化成彈性地基梁來計算。要進行地基梁的計算首先必須建立某種理想化的地基計算模式。至于地基模式的選擇問題,主要從兩個方面來考慮:即為了盡可能準確地模擬地基與梁相互作用時所表現出的力學性狀,同時,又要便于利用己有的數學方法進行分析。長距離地下管線計算中,可以只考慮荷載范圍內的沉降問題而不考慮地基邊界無載區的相關連續性,實際情況與文克爾模型較為一致,再從計算簡便考慮,選擇了文克爾地基模式。
     
      1.2計算方法的選擇式由于在計算模,假定垂直荷載均勻分布,因此在單一的荷載作用下,選擇初參數法進行計算。所謂梁的初參數法即以幾個初始截面參數來代替常微分方程解中的積分常數,其優點為:第一是使積分常數具有明確的物理意義,第二是可根據參數的物理意義尋求簡化的途徑。
     
      13兩端支座的簡化地下管道作為地下結構,在計算中有一個特點:就是需要考慮地下結構與土體的共同作用。地下結構受到的荷載來源于開挖回填及蠕變產生的土體變形壓力,且地下結構隨著土體的變形而變形。對于一般的地下管線,考慮覆土厚度與施工工藝兩個條件的相互作用。因而,本來的固定支座可能由于小覆土厚度等的影響,而產生一定的轉動,形成工程中所謂的影響,而可以承受一定的彎矩。所以對于工程中的管道支座,我們可以僅討論固接與鉸接兩種極端情況下的內力,一般的地下管線的內力可由兩者根據其影響程度的不同相疊加而得。即考慮支座的各個影響因素,確定一個剛度系數Kz,利用形如:F=KzXFg Fj的式子求解一般的地下管線的內力。
     
      為不失一般性,本文的具體計算模式以固結支座為例進行。
     
      1.4垂直地基反力合力的簡化長距離管線在下埋時,圓管受到地基土層與管基作用而產生地基反力,從力學分析可知,它所受的是一個環向的呈輻射狀的反力。由于本文主要討論在整體上管線的縱向受力性狀,而對圓管的截面強度、剛度、變形等的計算則不予考慮。因此可以用一個集中力來代替其輻射狀的地基反力,具體的受力見。5地基均布假定對于文克爾彈性地基梁,合理地選擇基床系數K值,對計算成果的精確性和可靠性,有很大的影響。
     
      實際上,沿著長距離管線底部,各點的基床系數值是不一樣的,而是隨著位置的不同而不同,在本文中,為了便于分析問題,假定K值為一個常數,而且鑒于軟土地基中管道事故的多發性,本文實例分析時取K值為16管道軸向等剛度假定實際地下管線本身是由許多的管節一節一節連接而成的,管節之間的接口剛度與管節本身的剛度之間有一定差異,這與管節材料,接口方式等有關。本文針對長距離管線的整體進行分析,假定管線沿著軸向剛度具有均一性。
     
      還有,在計算管道的撓度與轉角時,實際上管道在縱向具有一定的延伸長度的,但是,其變形是微小的。變形后管線軸線是一條平坦曲線,則橫截面形心沿著X軸方向的線位移與撓度相比屬于高階微量,從而在計算中往往將其忽略。
     
      最后,可以簡化其受力模式為(以固端支座為例)。
     
      2模型的求解本模型的求解是采用初參數法進行的。針對上述的模型,首先可以寫出其彈性地基梁的基本微分方程如下:EI管道的剛度;上述微分方程的解是由齊次方程的通解與非齊次方程的特解組成的,即⑵式采用初參數法,把四個積分常數A、B、C、D改成用初參數撓度yo、轉角9、彎矩M、剪力Q.本文繼續推導出均布荷載作用下的撓度修正項為根據上述的對y(x)的撓度方程的推導,再對照原始模型中的受力條件,可寫出位移方程y()如下:最后由左、右邊界,同時注意受力對稱性,即得:化簡可得固端模式下撓度y(x)的最終初參數法解析解:(令x'=L*x以下同)()式依次可得轉角、彎矩、剪力的解析解如下:()式同理,本文得出鉸接支座模型的各個內力解析解如式3計算結果的分析:在通過初參數法解得彈性地基梁基本微分方程的解析解基礎上,本文進行了進一步的分析。管道各點的內力計算及調用AutoCAD軟件繪制內力圖的工作通過編程實現。基于在我們目前的實際工作中,在軟弱土基上鋪設管道時需要進行謹慎的計算設計,特選定軟土地基為例來加以分析,采用管道的實際參數具體如下:3.1撓度分析(撓度進行了單向放大,數據文件y.lim不予列出)-(b)鉸端計算模型的撓曲線圖撓曲線圖(撓度己單向放大到10倍)顯示:長距離管線在理想狀態下,其中間的大部分管道不存在撓度過大問題,管段與管段之間的相對轉角也不可能超過允許轉角,而且,兩端部只在很小的范圍內對管線的撓度產生影響,固支與鉸支兩種情況在這方面差別不大。其中,長距離管線撓度與實際相比偏小。
     
      經分析,是由于以下原因造成:1)在確定計算模型時,假定了管線縱向剛度的均一性,從而增強了管道縱向的整體抗彎性能,使地下管線的撓度減少。2)考慮了土基對管道的理想作用,在實際中,常會由于填土不密實等因素使土體對管線不能作用完全。
     
      在對稱均布荷載作用下,隨著管線的長度增長,除出現撓度劇變(相對于撓度幾乎不變的中間部分來說)的梁的兩端部外,梁的撓度(x)基本趨于不變。即:由于本文所研宄的對象是長距離管線,其雙曲線函數中的,和隨著肛值的改變而變化,而且變化很快很大:因此,上的sin值對Ma影響很小,可以忽略不計。卩值代入,得簡化式:則由上式得固端彎矩的影響因素為:管道的剛度EI地基的系數k,荷載q.即固端彎矩的大小與管道的剛度的平方根、荷載q成正比;而與地基的系數k的平方根成反比。
     
      中國鋼管信息港資訊部獲悉:剪力分析(數據文件q.lim不予列出)固端支座的剪力圖,見-(a):鉸端支座的剪力圖,見剪力艦-(b)鉸端計算模型的剪力圖剪力圖表明:剪力與彎矩相似。剪力最大值隨著管線長度的增長,也幾乎保持不變,固端支座時,端部剪力的最大值為附近相反剪力的十倍左右,而鉸端支座時,則為五倍左右。最危險的受剪區域在管道的兩端部分,而且鉸端相對比固端的受剪情形更危險一些,其中兩者的端部剪力大小直接影響到管道的設由上述彎矩圖得:隨著管線長度的增長,管道兩端彎矩(其中鉸端彎矩為零)幾乎保持不變,即管道兩端的作用區域是有限的,只能在一定距離內對管線端部彎矩起作用。在實際工程應用中,端部彎矩問題很重要,因為上述管道受力最危險的區域就在管道的端部,其所承受的彎矩最大,所以它的大小直接影響到管道的設計與施工環節。在很多的現場施工中,端部往往采用鉸接的支座形式,以減少端部彎矩對管道的破壞作用,但是由于鉸接支座實際施工工藝相當復雜,在端部彎矩不太大的情況下,還是采用固接的支座形式。下面討論端部彎矩的影響因素,以便可以對端部彎矩進行定性判斷:由彎矩計算式得,固端的最大彎矩為:-(a)固端計算模型的剪力圖計與施工環節。下面討論固端剪力的影響因素。
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