均布荷载作用对埋地管道影响的有限元分析.pdf
《均布荷载作用对埋地管道影响的有限元分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《均布荷载作用对埋地管道影响的有限元分析.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、2023 年 11 月下第 52 卷 第 22 期施工技术(中英文)CONSTRUCTION TECHNOLOGY103 DOI:10.7672/sgjs2023220103均布荷载作用对埋地管道影响的有限元分析王 东1,王沛怡1,李 炬1,杨小龙1,李卓霖1,齐 浩2(1.中国建筑第五工程局有限公司,湖南 长沙 410004;2.重庆大学土木工程学院,重庆 400045)摘要 城区的新建与改造使建筑物对土体的作用力增加,由此产生的附加应力将会对既有管线产生影响。为研究附加应力对管道的影响,将地表重载等占压荷载产生的附加应力简化为均布荷载,并利用有限元分析软件ABAQUS 建立管土相互作用模型
2、,研究地表均布荷载作用下管道的受力与变形特点。通过与相关文献中的试验结果进行对比,验证了有限元分析方法的合理性与有效性。基于已验证模型的建模方法建立了 20 个管土作用模型,计算并分析了荷载大小、荷载位置、管道埋深、土体变形模量与管道材料等参数变化对埋地管道受力与变形的影响。研究表明:荷载越大、荷载位置越近、管道埋深越浅、土体变形模量越小,埋地管道的 Mises 应力与竖向位移越大;此外,管道材料的种类对埋地管道力学性能有明显影响,HDPE 受力变形大、分布应力均较小,钢管受力变形小、局部应力较大,在工程实际应用中应综合考虑不同管道受力与变形特性及其他使用需求进行管材选型。关键词 均布荷载;埋
3、地管道;数值模拟;应力;位移中图分类号 TU732文献标识码 A文章编号 2097-0897(2023)22-0103-08Finite Element Analysis of Influence of Even Load on Buried PipelineWANG Dong1,WANG Peiyi1,LI J1,YANG Xiaolong1,LI Zhuolin1,QI Hao2(1.China Construction Fifth Engineering Division Co.,Ltd.,Changsha,Hunan 410004,China;2.School of Civil Eng
4、ineering,Chongqing University,Chongqing 400045,China)Abstract:The new construction and reconstruction of the urban area increase the force of the building onthe soil,and the resulting additional stress will affect the existing pipeline.In order to study the influenceof additional stress on pipelines
5、,the additional stress caused by the heavy load on the surface issimplified as the even load,and the finite element analysis software ABAQUS is used to establish thepipe-soil interaction model to study the stress and deformation characteristics of the pipeline under theeven load on the surface.By co
6、mparing with the experimental results in the relevant literature,therationality and effectiveness of the finite element analysis method are verified.Based on the modelingmethod of the verified model,20 pipe-soil interaction models were established.The effects of parameterssuch as load size,load posi
7、tion,buried depth of pipeline,soil deformation modulus and pipeline materialon the stress and deformation of buried pipeline were calculated and analyzed.The results show that thegreater the load,the closer the load position,the shallower the buried depth of the pipeline,the smallerthe soil deformat
8、ion modulus,the greater the Mises stress and vertical displacement of the buriedpipeline.In addition,the types of pipeline materials had a significant impact on the mechanical propertiesof buried pipelines.The deformation of HDPE is large and the distribution stress is small.The deformationof steel
9、pipe is small and the local stress is large.In practical engineering applications,different pipelinestress and deformation characteristics and other use requirements should be comprehensively considered toselect pipe materials.Keywords:even load;buried pipeline;simulation;stress;displacement重庆市自然科学基
10、金创新群体科学基金(cstc2020jcyj-cxttX0003);中建五局科技研发项目(CSCEC5B-2022-02)作者简介 王 东,高级工程师,E-mail:wangdong02 通信作者 王沛怡,硕士,助理工程师,E-mail:收稿日期 2023-07-270 引言 管道工程作为城市基础建设中不可或缺的部分,一直以来都是市政工程研究中的重点。随着城104 施工技术(中英文)第 52 卷市化进程的加快,建筑物的增多及施工过程重载等占压荷载将引起埋地管道的变形与破坏1。在占压荷载作用下埋地管道力学响应的研究中,荷载情况、管道参数等因素均对管道受力与变形有较大影响。淦邦等2应用 ABAQU
11、S 建立三维管-土作用模型,分析了地表堆载对油气管道的影响,研究表明管道受力与荷载形状、荷载位移及大小有关。帅健等3建立了地基-管道三维有限元模型,分析了不同强度地基状态下地表荷载对管道的影响方式。郑辉等4基于有限元分析法对不同地基沉降类型建立管-土作用模型,确定了埋地管道的敏感区域,并为现场施工提供了指导。Zhang 等5采用有限元法研究了地面过载时管道的力学行为,研究表明,随着地面荷载的增大,最大应力与高应力区均增大,且管道内压对力学行为有较大影响。Liang 等6通过有限元分析发现聚乙烯管道在地面超载作用下的破坏模式主要为椭圆形变形,随着地面荷载的增加,管道的最大应力点由管顶、管底向管道
12、中间截面转移。在以上研究基础上,本文通过有限元软件ABAQUS 建立管-土相互作用模型,将占压荷载简化为地表均布荷载,研究埋地管道的力学响应,获得管道的应力分布与管道变形等。同时,通过参数化分析的方式,研究了荷载作用位置与大小、土体变形模量、管道材料种类及埋深等因素对管道力学性能的影响,基于参数影响下管道力学性能的变化规律,总结得到均布荷载作用下埋地管道的力学性能变化规律,为埋地管道的设计与施工提供参考。1 工程概况 重庆一品河、黄溪河“清水绿岸”治理提升项目位于重庆市巴南区,主要建设内容包括水环境治理、水岸线治理、水生态保护与修复、水智慧系统及其他附属设施等,其中雨污管网工程是本项目的建设重
13、点。由于雨污管网项目均位于城区,建筑密度大,且后续建筑物新建与改造等可能性较大,将对地表产生附加应力,通过管土相互作用引起管道的变形与应力变化。对埋地管道进行设计与施工时,应充分考虑地表荷载对埋地管道变形与力学性能的影响。2 有限元模型2.1 模型基本信息 利用 ABAQUS 建立管土相互作用模型,如图 1所示。土体尺寸为 30m18m15m;管道内径为1 200mm,壁厚 50mm,长 20m,居中放置;管道内壁底部距地表 6m。模型采用 ABAQUS 提供的三维 8节点六面体线性减缩积分单元(C3D8R)。本文将地表堆载简化为均布荷载,作用于管道正上方地表处,作用面大小为 2m30m。图
14、1 管土相互作用模型Fig.1 Pipe-soil interaction model2.2 材料本构关系 管土模型涉及管道与土体两种材料。管道材质为钢材,采用理想弹塑性本构,密度为 7 800kg/m3,弹性模量为 209 000MPa,泊松比为 0.3;土体本构模型选用莫尔-库伦模型,土体密度为 1 800kg/m3,弹性模量为 9MPa,泊松比为 0.4,内摩擦角 30,黏聚力为 10kPa7-8。2.3 相互作用 管土模型涉及的接触为管道外壁与土体之间的接触,管土相互作用采用面-面接触法模拟,将土体与管道外壁接触的面设置为主表面,将管道外壁设置为从表面。在法线方向上使用“硬接触”进行定
15、义,在切线方向上采用罚函数定义,摩擦系数设为 0.49-10。2.4 边界条件与加载设置 边界条件设置如图 2 所示。管土模型底部采用固定约束,限制底面在 x,y,z 3 个方向的平动自由度与转动自由度;土体 4 个侧面模拟实际土体受力,在所在平面上限制垂直于其表面方向的平动自由度;埋地管道限制两端在 z 向的平动自由度11。模型加载通过对图 2a 中黄色加载面处施加均布荷载来实现,施加的均布荷载大小为 0.2MPa。2.5 管土作用有限元模型验证 根据上述管土作用模型的有限元分析方法对文献11中上部荷载为 0.5MPa 时的管土作用模型进行有限元模拟与对比分析,结果如图 3 所示。由图 3
16、可知,模拟结果与文献结果在曲线趋势与数值大小上均吻合良好,说明按照上述有限元分析方法对管土作用模型进行分析计算是合理的。2.6 参数分析 竖向荷载对埋地管道力学性能的影响主要包括荷载作用情况、土体密实度和管道材料性能。本文取荷载大小、荷载位置、管道埋深、土体变形模量、管道2023 No.22王 东等:均布荷载作用对埋地管道影响的有限元分析105 图 2 有限元模型边界条件Fig.2 Boundary conditions of finite element model材料 5 个参数进行管土作用模型的参数化分析。荷载大小以作用于加载面上的荷载值为准,作为 变 量,荷 载 Q 取 值 为:Q1=
17、0.1MPa,Q2=0.15MPa,Q3=0.2MPa,Q4=0.25MPa,Q5=0.3MPa。荷载位置以荷载作用面中心线与管道轴线水平距离为准,如图 4 所示。其中标准组 L1取值为0m,L2=1.5m,L3=3m,L4=4.5m,L5=6m。管道埋深以管道内壁底标高与地表平面的距离为准,如图 5 所示。其中标准组取值为 6m。管道埋深 D 取值为:D1=2m,D2=4m,D3=6m,D4=8m,D5=10m。相关研究表明,土体密实度与土体变形模量有相关关系,土体密实度越大,则变形模量越大。本文以土体的变形模量变化表征土体密实度变化,土体变形模量 E 取值为:E1=3MPa,E2=6MPa
18、,E3=9MPa,E4=12MPa,E5=15MPa。埋地管道常见管材有钢筋混凝土管、钢管、玻璃钢管(RPM)及高密度聚乙烯管(HDPE)等12-13,本文取以上 4 种材料研究管材对管土作用的影响,材料参数如表 1 所示。表 1 管道材料参数Table 1 Pipe material parameters项目密度/(kgm-3)弹性模量/GPa泊松比钢7 8002090.3HDPE1 38030.4钢筋混凝土3 000300.2RPM2 000720.23 有限元结果与分析3.1 基础组结果分析 均布荷载作用下管道与土体的 Mises 应力及竖图 3 管道沿程应力及位移曲线对比Fig.3 C
19、omparison of stress and displacementcurves along the pipeline图 4 荷载位置示意Fig.4 Load position向变形如图 6,7 所示。其中 U2 表示竖直方向,规定竖向位移向上为正。本文模型与荷载均为对称设计,由图 6,7 可知,管道与土体的应力、变形均关于 xy 平面与 yz 平面对称。由图 6 可知,埋地管道的 Mises 应力最大值出现在管道两端,这是由于模型中埋地管道两端与土106 施工技术(中英文)第 52 卷图 5 管道埋深示意Fig.5 Pipeline buried depth图 6 Mises 应力云图(
20、单位:MPa)Fig.6 Mises stress cloud map(unit:MPa)图 7 竖向变形云图(单位:mm)Fig.7 Vertical deformation cloud map(unit:mm)体连接部位接触条件设置不够理想化,从而导致该部位应力集中,应力值较大。管道两端到跨中 Mises应力出现先减小后增大的趋势;土体的 Mises 应力最大值出现在加载面处,且应力集中出现在管道上方区域,随着深度的增加,应力逐渐扩散并减小。由图 7a 可知,埋地管道的竖向位移最大值出现在管道跨中处,呈两端小中间大的趋势;土体的竖向变形最大值出现在加载面处,且随着深度的增加及与地表加载面处
21、距离的增大,竖向位移逐渐减小。由图 7b 中可知,x 方向上土体两侧出现位移为正值的现象,分析原因为均布荷载的施加与应力扩散现象导致该处土体受到侧向土体的挤压应力,因此 x 方向上土体两侧出现上浮的现象使竖向位移值为正值。管道沿程的竖向位移与 Mises 应力变化曲线如图 8 所示。曲线趋势与上述云图的变化趋势一致。埋地管道的最大应力为 77.48MPa,跨中应力为36.87MPa,埋地管道的最大竖向位移为 9.84mm。图 8 管道沿程 Mises 应力与竖向位移变化曲线Fig.8 The variation curve of vertical displacementalong the p
22、ipeline and Mises stress3.2 参数影响分析 为研究荷载作用情况、土体密实度、管道材料性能相关参数对埋地管道的 Mises 应力、竖向位移的影响,本文以上文的管土作用模型为基础,进行参数化分析,并采用单一变量原则进行分析。此外,采用管道跨中处的应力进行对比分析,以避免应力集中的影响。3.2.1 荷载大小影响 不同大小荷载作用下管道应力与变形变化如图 9 所示。由图 9 可知,不同荷载作用下管道沿程的 Mises 应力与竖向位移分布曲线的趋势与基础组2023 No.22王 东等:均布荷载作用对埋地管道影响的有限元分析107 基本保持一致。随着地表均布荷载的增大,Mises
23、 应力与竖向位移均呈增大的趋势。图 9 不同大小荷载作用下管道变形变化Fig.9 The deformation change of pipelineunder different loads管道中部应力与位移变化曲线如图 10 所示。由图 10 可知,随着地表均布荷载的增大,管道的Mises 应力与跨中竖向位移均呈线性增大。荷载由0.1MPa 增大至0.3MPa,管道跨中应力由18.29MPa增大至 55.31MPa,竖向位移的绝对值由 4.87mm 增大至 14.77mm,表明地表荷载大小对管道 Mises 应力与竖向位移的影响较大。图 10 不同大小荷载作用下管道中部应力与位移变化曲线F
24、ig.10 The stress and displacement curves of themiddle part of the pipeline under different loads3.2.2 荷载位置影响 不同荷载作用位置下管道应力与变形变化如图 11 所示。由图 11 可知,不同荷载作用下管道沿程的 Mises 应力与竖向位移分布曲线的趋势与基础组基本保持一致。随着 L 的增大,Mises 应力与竖向位移的变化呈逐渐减小的趋势。图 11 不同荷载作用位置下管道应力与变形变化Fig.11 The stress and deformation curves ofpipeline un
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 荷载 作用 管道 影响 有限元分析
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。