穿越公路輸氣管道力學(xué)性狀影響因素研究

蘭國冠,趙向前,孫安勇

(1.三明學(xué)院建筑工程學(xué)院,福建三明 365004;2.中節(jié)能建設(shè)工程設(shè)計(jì)院有限公司,四川成都 610052; 3.成都博銳建筑工程咨詢有限公司,四川成都 610001)

0 引 言

通常,車輛荷載作用下埋地輸氣管道的動力響應(yīng)涉及多個學(xué)科,如道路工程、管道工程、車輛工程、巖土工程以及彈塑性力學(xué)、土力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、隨機(jī)振動理論等,是一個跨學(xué)科的交叉研究課題,用純理論方法研究難度很大,而試驗(yàn)研究需要花費(fèi)大量的人力、財力,且解析計(jì)算不能很好地解決復(fù)雜問題[1-5],數(shù)值模擬技術(shù)的出現(xiàn)恰好彌補(bǔ)了上述不足,有限元、邊界元等數(shù)值方法逐漸流行,并成為工程計(jì)算領(lǐng)域中的最重要手段之一[6-10].本研究利用理論分析結(jié)合ANSYS模擬軟件對穿越公路輸氣管道在車輛荷載作用下的力學(xué)性狀進(jìn)行數(shù)值模擬與分析.

1 車輛移動方向與管道垂直時的管土受力模型

車輛移動方向與管道垂直時的管土受力模型描述的是當(dāng)移動荷載方向與管道垂直交叉時的受力情形.由于地基土體是一個無限空間體,在計(jì)算中本研究截取一定的范圍,確定地基的三維固體有限元計(jì)算模型尺寸為,長×寬×高=10 m×5 m×5 m,軟土地基的密度為1 790 Kg/m3,彈性模量為9 MPa,泊松比0.40.管道為三維固體模型,長度10 m,壁厚25 mm,埋深2 m,管道材質(zhì)為鋼材,密度為7 850 Kg/ m3,彈性模量為210 GPa,泊松比0.30.管道邊界條件為兩端設(shè)為固支.荷載大小為四分之一車重,為點(diǎn)荷載作用在車輪軌跡上,這里把車輪軌跡視為兩條直線.

1.1 車輛模擬參數(shù)

本研究中,車輛具體模擬參數(shù)如表1所示.

表1 車輛模擬參數(shù)

1.2 土體材料參數(shù)

土體模型選用與實(shí)際土體彈塑性狀態(tài)較接近的Drucker-Prager模型.該模型服從廣義的Von-Mises屈服準(zhǔn)則,其表達(dá)式[8]為:

土體具體參數(shù)如表2所示.

表2 土體具體參數(shù)表

1.3 管道材料參數(shù)

本研究采用的管道為X70級管材,利用雙線形硬化彈塑模型,該模型遵從Von-Mises屈服準(zhǔn)則,其表達(dá)式[8]為,

式中,σ為應(yīng)力;σy為屈服應(yīng)力;Es、Etan為彈性模量和切線模量;ε、εe為應(yīng)變和彈性極限應(yīng)變.

埋地輸氣管道具體參數(shù)如表3所示.

表3 埋地輸氣管道參數(shù)

1.4 選取單元類型及網(wǎng)格劃分

本研究采用Solid 45及Solid 65單元來模擬土體和埋地管道.Solid 45單元由8個節(jié)點(diǎn)結(jié)合而成,每個節(jié)點(diǎn)有xyz 3個方向自由度,該單元具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形、大應(yīng)變等特征.Solid 65單元為8節(jié)點(diǎn)6面體單元,是和普通的8節(jié)點(diǎn)空間實(shí)體單元Solid 45相同的實(shí)體單元模型,但加入了Willam-Warnke 5參數(shù)破壞準(zhǔn)則.

對建立的幾何模型,需要對其劃分網(wǎng)格生成包含節(jié)點(diǎn)和單元的有限元模型.有限元網(wǎng)格的劃分過程包括3個步驟[9-10]:①定義單元屬性,包括指定單元類型、分配實(shí)常數(shù)、分配材料屬性等;②設(shè)置網(wǎng)格控制(可選擇的);③生成網(wǎng)格.

選用有限元計(jì)算時,單元網(wǎng)格劃分越密,計(jì)算誤差越小,越接近于真實(shí)值,不過網(wǎng)格劃分越密計(jì)算時間就越長,計(jì)算量越大.地基及管道網(wǎng)格劃分如圖1、2所示.

圖1 管土模型及土體模型單元網(wǎng)格劃分圖

2 不同因素對管道應(yīng)力的影響分析

2.1 車速對管道應(yīng)力的影響

2.1.1 把管道中點(diǎn)作為研究對象,研究車速對管道應(yīng)力的影響.

為了分析車輛速度對管道中點(diǎn)應(yīng)力的影響,假設(shè)路面近似平整,在保證其他因素不變的情況下分別選取20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h 5個不同的車速進(jìn)行模擬.取得不同車速下管道中點(diǎn)的應(yīng)力峰值,即得管道中點(diǎn)Mises應(yīng)力隨車速變化趨勢圖如圖3所示.

圖2 橫穿公路管道模型邊界及單元網(wǎng)格劃分圖

圖3 管道中點(diǎn)Mises應(yīng)力峰值隨車速變化趨勢圖

由圖3可以看出:在路面近似平整的情況下,隨著車速的增大,管道受到的應(yīng)力呈減小趨勢,不過當(dāng)車速超過45 km/h后,管道中點(diǎn)Mises應(yīng)力變化不大,其原因是地基中的應(yīng)力傳遞需要依靠相鄰的顆粒來完成,車輛速度大,應(yīng)力出現(xiàn)的時間就短,從而來不及向土體周邊傳遞,應(yīng)力響應(yīng)特征就不那么顯著.

2.1.2 把管道中點(diǎn)作為研究對象,研究車速對管道變形的影響.

與研究應(yīng)力隨車速變化一樣,在保證其他因素不變的情況下分別選取20 km/h、30 km/h、40km/h、50 km/h、60 km/h 5個不同的車速進(jìn)行模擬.取得不同車速下管道中點(diǎn)的變形峰值,即得管道中點(diǎn)變形隨車速變化趨勢圖如圖4所示.

圖4 管道中點(diǎn)位移峰值隨車速變化趨勢圖

由圖4可以看出,不同車速下,管道中點(diǎn)的位移響應(yīng)相差不大,基本呈一條水平直線,此表明,車輛速度變化對管道變形的影響不是很大.

2.2 車輛載重的影響

為了研究車輛載重對管道應(yīng)力及變形的影響,假定其他參數(shù)不變,選用一組不同載重的車輛模型,由于本研究假設(shè)車輛加載為點(diǎn)荷載,車輛以4個車輪計(jì)算,因此把四分之一車載重作為點(diǎn)荷載值.分別選用8 t、9 t、10 t、13 t、16 t 5種不同載重的車輛進(jìn)行模擬,折算成四分之一點(diǎn)荷載分別為,F1=20 000 N、F2=22 500 N、F3=25 000 N、F4=32 500 N、F5= 40 000 N.對此,管道中點(diǎn)應(yīng)力與位移隨車載重變化趨勢圖如圖5、6所示.

圖5 管道中點(diǎn)Mises應(yīng)力峰值隨車輛載重變化趨勢圖

圖6 管道中點(diǎn)位移峰值隨車輛載重變化趨勢圖

由圖5可以看出,管道中點(diǎn)Mises應(yīng)力隨車輛載重的增大而大致線性增大.由圖6可以看出,當(dāng)車輛載重從8 t逐漸增加到16 t的過程中,管道中點(diǎn)位移峰值變化幅度不大,僅變化0.003 m左右.同時,研究中還發(fā)現(xiàn),隨著車輛載重的增加,位移的波動減小,其原因是管道所受壓力增加時,其所受的約束也相應(yīng)增加,從而使位移的波動減小.

2.3 管道直徑的影響

在研究管徑對管道位移的影響時,保持車速及其他參數(shù)不變,分別選用3種不同管徑(D=0.9 m, D=1.1 m,D=1.3 m)的管道進(jìn)行模擬,最后取各管徑對應(yīng)的管道中點(diǎn)位移響應(yīng)量峰值,即得位移響應(yīng)峰值隨管徑變化趨勢繪成圖表如圖7所示.

圖7 管道中點(diǎn)位移響應(yīng)峰值隨管徑變化圖

由圖7可以看出,隨著管徑的增大管道位移響應(yīng)量減小,不過從0.9 m變化至1.1 m時,管道位移值變化量比從1.1 m變化至1.3 m時小得多.

2.4 管道埋深的影響

管道中點(diǎn)應(yīng)力峰值隨深度變化趨勢如圖8所示.

圖8 管道中點(diǎn)應(yīng)力峰值隨深度變化趨勢圖

由圖8可以看出,土體壓力隨著埋深的增加而線性增大,而車輛產(chǎn)生的附加應(yīng)力則隨著埋深的增加而快速減小,其原因在于土體的阻尼特性及擴(kuò)散作用使車輛產(chǎn)生的附加應(yīng)力在深處漸漸消散,所以管道所受總應(yīng)力就呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢.根據(jù)總應(yīng)力最小的原則,我們可以確定一個最佳管道埋深,如圖8所示,最佳埋深為2 m左右.當(dāng)然,在實(shí)際工程中確定最佳埋深時,還要考慮不同規(guī)格管道對其埋深的專業(yè)要求及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等因素,綜合評定.而且剛性管道與柔性管道的埋深要求是不同的,實(shí)際工程應(yīng)用時應(yīng)注意二者的區(qū)別.

2.5 地基彈性模量的影響

在保持其他參數(shù)不變的情況下,分別選用地基彈性模量為,E=8 Mpa、E=10 Mpa、E=12 Mpa、E= 14 Mpa、E=16 Mpa,進(jìn)行模擬,管道中點(diǎn)Mises應(yīng)力峰值與位移峰值隨地基彈性模量變化如圖9、10所示.

由圖9可知,應(yīng)力峰值隨著地基彈性模量的增大而呈減小趨勢,大致成反比例關(guān)系.

圖9 管道中點(diǎn)Mises應(yīng)力峰值隨地基模量變化趨勢圖

圖10 管道中點(diǎn)位移峰值隨地基變形模量變化趨勢

由圖10可知,位移隨地基模量變化趨勢與應(yīng)力圖類似,都是大致成反比例的關(guān)系,地基彈性模量越大,管道位移量越小.

2.6 地基泊松比的影響

管道中點(diǎn)Mises應(yīng)力峰值及位移隨地基泊松比變化趨勢如圖11、12所示.

圖11 管道中點(diǎn)Mises應(yīng)力峰值隨地基泊松比變化趨勢

由圖11可知,隨著泊松比的增大,管道應(yīng)力峰值減小,且影響幅度較大,說明泊松比是影響車輛荷載作用下管道應(yīng)力值的重要因素.

圖12 管道中點(diǎn)位移峰值隨地基泊松比變化趨勢

由圖12看出,管道中點(diǎn)位移峰值隨泊松比的變化與應(yīng)力變化類似,隨著地基泊松比的增大,位移峰值逐漸減小.管道中點(diǎn)位移值與地基泊松比大致成反比例關(guān)系.

3 結(jié) 語

本文通過軟件數(shù)值模擬,得到了橫穿道路管道受車輛荷載作用時管道中點(diǎn)應(yīng)力及豎向位移隨時間變化的時程圖等,并對影響管道力學(xué)性狀的各種因素進(jìn)行了分析和總結(jié),各因素的影響概述如下:

(1)隨著車速的增大,管道受到的應(yīng)力呈減小趨勢,不過當(dāng)車速超過45 km/h后,管道中點(diǎn)Mises應(yīng)力變化不大,其原因是地基中的應(yīng)力傳遞需要依靠相鄰的顆粒來完成,車速大,應(yīng)力出現(xiàn)的時間就短,從而來不及往土體周邊傳遞,應(yīng)力響應(yīng)特征就不那么顯著.

(2)管道中點(diǎn)Mises應(yīng)力隨車輛載重的增大而大致線性增大,隨著車輛質(zhì)量的增加,位移的波動減小.

(3)隨著管徑的增大管道位移響應(yīng)量減小,且在相同管徑級差時,較大管徑之間的位移響應(yīng)量更小.

(4)土體壓力隨著埋深的增加而線性增大,而車輛荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力則隨著埋深的增加而快速減小,所以管道所受總應(yīng)力就呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,根據(jù)總應(yīng)力最小的原則,可以確定一個最佳管道埋深,在本例中所示,最佳埋深為2 m左右.

(5)管道應(yīng)力峰值隨著地基模量的增大而呈減小趨勢,大致成反比例關(guān)系.

(6)管道中點(diǎn)位移值與地基泊松比大致成反比例關(guān)系.

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