高静水压力作用下深海油气管道的局部屈曲

以有初始缺陷的厚壁钢管为研究对象,开展外部高静水压力作用下管道结构的模型试验和有限元数值模拟分析.通过在压力缸内泵入水的方式对钢管试件施加均匀外部压力,测得钢管发生局部屈曲时的压力峰值.基于ABAQUS软件,数值模拟分析试验钢管在静水压力作用下的屈曲和后屈曲行为,得到钢管的失稳压力和屈曲后的形态,与试验结果相比吻合较好.利用建立的数值模拟方法,分析不同材料性能、径厚比和初始椭圆率对钢质管道屈曲的影响.结果表明:材料硬化系数较大的管道,失稳压力较大;随着初始椭圆率的增加,管道的失稳压力显著减小;对于深水或超深水油气管道的屈曲失稳压力,国外规范的计算公式偏保守,而且不能解释不同材料硬化系数的影响.

深水海底管道S型铺设参数敏感性分析

以深水海底管道S型铺管法为研究对象,运用悬链线理论建立管道的静平衡微分方程,通过理论分析给出了迭代求解管道整体形态的数值计算方法,并开发相应的计算分析程序,分析了不同参数对张紧器张力和管道极限铺设水深的影响。结果表明,随着管道铺设水深、管径和壁厚、混凝土配重层厚度的增加,所需张紧器张力明显增大;当托管架底部倾角较大时,控制应变越大管道所需张力越小;当托管架底部倾角较小时,管道初始倾角越大、托管架半径越小管道所需张力越小。此外,管道的浮重度、托管架长度和半径、张紧器张拉能力、管道初始倾角对极限铺设水深有着重要的影响。

海洋平台的灌浆卡箍技术研究

在国内外文献研究的基础上 ,对钢质近海结构物的修理、加固方法做了较为深入的研究。利用丹麦学者N .S .Ottosen提出的多轴应力状态下混凝土强度理论Ottosen破坏准则 ,建立了钢与混凝土组合结构T型灌浆卡箍管节点的轴向受拉、受压和面内弯矩作用下的非线性有限元计算模型 ,采用分级加载计算分析了相应的极限承载能力 ,并与试验结果进行比较分析。计算结果表明 ,经灌浆卡箍维修后的管节点应力分布、变形和极限承载能力都得到了明显的改善 ,所得结果较好地反映了实际结构的力学特性。

近爆作用下钢筋混凝土板动态破坏的数值模拟研究

当爆炸在结构构件表面发生时,产生的冲击波将会对结构构件造成损伤和破坏,而准确预测潜在的爆炸对结构构件造成的损伤是进行重要建筑物和防护结构抗爆设计的基础。为研究近爆作用下钢筋混凝土板的抗爆性能,采用AUTODYN软件建立了混凝土和钢筋的三维分离式实体模型,数值模型考虑了应变率对钢筋和混凝土材料动力本构特性的影响以及炸药-空气-结构之间的流固耦合相互作用,分析了不同炸药量作用下钢筋混凝土板的损伤机理和破坏特征,合理展现了钢筋混凝土板从混凝土开裂、碎片形成、部分钢筋屈服断裂到板局部震塌的动态演变过程。随着炸药量的增大,钢筋混凝土板的破坏模式逐渐由整体弯曲破坏转变为局部的冲切破坏。

内部爆炸荷载作用下钢筋混凝土板的动力响应研究

对于合理预测内部爆炸荷载作用下复杂结构的动力响应,通常需要用合适的计算方法进行直接的数值模拟。采用了考虑应变率影响的钢筋和混凝土材料的动力本构损伤模型,介绍了用爆炸流体动力学软件预测在封闭空间内发生爆炸情况下结构响应的数值模拟方法。对箱型封闭空间内0.5 kg TNT爆炸荷载作用下钢筋混凝土顶板的响应进行了数值模拟研究,展示了钢筋混凝土板从混凝土开裂、钢筋断裂到板整体抛射的动态演变过程,并与试验结果进行了对比分析,内部爆炸荷载压力时程曲线、混凝土的损伤破坏和板的抛射速度与试验结果吻合较好。从中可以发现钢筋对混凝土开裂起主要抑制作用,板的开裂和碎片形成主要受脉冲压力荷载的影响,而板的抛射速度主要受气体压力荷载的控制。

海洋平台结构随机动力响应谱疲劳寿命可靠性分析

对随机波浪荷载作用下海洋平台结构动力响应和疲劳寿命评估理论作了简要叙述,通过对某深水导管架平台经损伤加固维修后整体结构的随机动力响应分析,应用随机波浪谱和线性疲劳累积损伤理论,进行了导管架结构构件和管节点的详细疲劳寿命评估,计算模型充分考虑了对平台结构动力性能和疲劳寿命有着显著影响的附属结构和质量,以及结构-桩-土的相互作用.计算结果表明,海洋平台结构的一阶模态对动力响应起主导作用;与受损构件相连接的构件疲劳寿命与损伤前相比有明显的降低,但都满足设计使用要求;频率数和频带宽的合理选取对随机波浪动力荷载作用下结构的响应有着显著的影响.

近爆作用下钢筋混凝土柱的损伤机理研究

为了研究钢筋混凝土结构底层柱的抗爆性能,应用LS-DYNA软件对近爆作用下钢筋混凝土柱的损伤过程及破坏机理进行数值模拟分析,数值模型考虑应变率对钢筋和混凝土材料动力本构特性的影响以及炸药-空气-结构之间的流固耦合相互作用.结果表明,在爆炸冲击荷载作用下,钢筋混凝土柱表层混凝土首先开始剥落,受到约束的柱脚和柱顶混凝土发生冲剪破坏,在持续的横向变形作用下柱整体发生弯曲,产生一系列的横向裂缝;在等比例距离爆炸作用下,不同反射区的钢筋混凝土柱,受到的爆炸冲击荷载存在较大的差异,通常的比例定律不适用于近爆情形.

爆炸荷载的数值模拟及近爆作用钢筋混凝土板的动力响应

采用AUTODYN软件对自由空气中爆炸荷载进行了数值模拟,分析了空气网格尺寸和求解算法对爆炸荷载模拟结果的影响,并与经验预测和TM5-1000值进行了比较分析.研究结果表明,空气单元网格尺寸对爆炸冲击波峰值超压有着显著的影响,对冲量也有一定的影响;Euler-FCT算法较Euler-G算法提高了爆炸荷载的模拟精度,通过增加装药量,可以得到与实际值较吻合的模拟结果.同时采用流固耦合数值模拟方法进行了近爆作用下钢筋混凝土板的动力响应分析,较合理地展现了钢筋混凝土板从混凝土开裂、碎片形成、部分钢筋屈服到板局部震塌破坏的动态演变过程.

单点系泊海洋导管架平台结构的疲劳寿命可靠性分析

为了确保海洋平台结构继续安全可靠地运行,根据BZ28-1 SPM油田海域环境荷载的统计特性,利用Ray-leigh分布对波高和系泊力进行离散化,运用线性波浪理论计算作用在小尺度结构上的波浪力,采用有限元法分别计算在波浪力和系泊力作用下结构构件的名义应力,乘以相应的应力集中系数,得到管节点的热点应力范围.应用疲劳累积损伤理论和S-N曲线对导管架结构的疲劳寿命进行了可靠性评估.分析结果表明,波浪荷载引起的结构疲劳损伤相对于系泊力荷载是非常小的;对由波浪力、高频系泊力和低频系泊力引起的导管架结构的疲劳损伤进行线性累积相加是不合理的,这样得到的疲劳寿命比采用组合方法计算得到的疲劳寿命大很多,会导致过高地估计结构的疲劳寿命.

外压作用深海夹层管复合结构屈曲失稳分析

为研究深海夹层管在高静水压力作用下的屈曲失稳性能,运用有限元软件ABAQUS建立夹层管复合结构在外压作用下的数值模型,通过广泛的参数化分析,系统地阐述了外管初始几何缺陷、内外管径厚比、夹芯层厚度和材料特性、钢管屈服强度和应变硬化特性等因素对夹层管屈曲失稳的影响机理.结果表明:与单层管相比,外管初始几何缺陷对夹层管屈曲失稳压力影响较小,外管径厚比越大,夹层管屈曲失稳压力越小,屈曲失稳前的变形能力越强;内管径厚比越大,夹层管屈曲失稳压力也越小,但屈曲失稳前的变形能力却越弱;夹芯层厚度、夹芯层及内外管材料特性对夹层管屈曲失稳性能影响较为显著.

深水S型铺管收弃管作业分析

为研究深水S型铺管收弃管(A/R)作业过程管道的形态与受力特性,运用刚悬链线理论建立管道静平衡微分方程,结合缆索受力与铺管船移动,给出迭代求解两阶段作业过程管道与缆索形态的数值计算方法,并开发收弃管作业计算分析程序,模拟2 000m水深弃管操作过程.结果表明,第1阶段,铺管船需要向前移动,以使A/R绞车施加的张力保持不变,管道形态变得平缓,管道内张力逐步增加而弯矩减小;第2阶段,铺管船静止,A/R绞车施加的张力需要逐步减小,管道形态变陡,管道内张力减小而弯矩迅速增加.与铺管专业软件OFFPIPE计算得到的结果吻合较好,验证了计算分析程序的有效性和实用性,从而可为实际深水管道铺设设计提供理论依据.

爆炸荷载作用下建筑结构倒塌的致命率

比较研究了爆炸荷载和地震荷载引起的建筑结构倒塌失效模式,收集了与建筑结构瞬间发生脆性倒塌失效相类似的事件,采用事件树建立了爆炸荷载作用下建筑结构倒塌引起的内部人员的致命率模型,并对数据库进行分类统计分析,给出了不同建筑结构类型的致命率统计特性和概率分布模型,通过对砖石、砖混和钢筋混凝土结构失效事件的组合统计分析,得到了当前城市主要建筑物在爆炸荷载作用下致命率的评估模型.基于现有数据样本量的观测统计,分析了不同楼层对致命率的影响.结果表明,随着楼层数的增加,建筑结构倒塌的致命率统计均值也相应增加.

海上固定平台受损构件的修理与评估

对海上固定平台受损构件的原因作了分析 ,提出了海上平台受损构件修理的特点、原则和选择修理方案时所应考虑的因素。简述了海上固定平台受损构件的修理方法 ,并对各种修理方法做了评估分析 ,以供海洋工程工作人员在对受损构件维修时参考。

外压作用下深海腐蚀缺陷管道的屈曲失稳机理

为了研究外压作用下深海腐蚀缺陷管道的屈曲失稳机理,通过深海压力舱小比例模型试验,测得钢管试件发生屈曲失稳时的压力和变形形态.利用有限元软件ABAQUS建立管道的三维数值模型,模拟外压作用下完好无损管道和腐蚀缺陷管道的准静态屈曲失稳过程,得到钢管的压力-直径变化曲线和变形形态,与试验结果吻合良好.采用建立的数值模拟方法,分析管道长度、径厚比、初始椭圆率、钢材等级、钢材应变硬化特性和缺陷几何尺寸等因素对腐蚀缺陷管道屈曲失稳的影响.结果表明,初始椭圆率、缺陷几何尺寸、钢材应变硬化特性是深海腐蚀缺陷管道标准化后失稳压力的主要影响因素,管道长度、径厚比、钢材等级对标准化后失稳压力的影响相对较小.

层间黏结性能对夹层管屈曲传播的影响机理

为了研究层间黏结性能对夹层管屈曲传播的影响,通过深海压力舱小比例模型试验,测得不同层间黏接情况下夹层管试件的变形形态和压力-体积变化曲线.利用有限元软件ABAQUS,建立外压作用下夹层管的三维数值模型,采用非线性弹簧单元模拟轴向和环向层间黏结性能,数值模拟分析夹层管试件的局部屈曲失稳和屈曲传播过程,得到试件的变形形态和压力-体积变化曲线,与试验结果吻合较好.采用建立的数值模拟方法,分析不同层间黏接情况下夹层管的屈曲传播过程.结果表明:良好的层间黏结性能可以使夹层管各层间有效传力和协调变形,显著提升结构的整体受力性能,提高夹层管的屈曲传播压力,具有更好的承压和变形能力.

加固钢柱的非线性屈曲性能研究

尽管加固设计方法很多,负荷焊接加固技术由于耐久可靠仍然被广泛地应用于既有钢结构的加固领域。以某电厂钢支架结构加固设计为例,应用一种负荷下钢柱翼缘外侧贴焊钢板的加固技术,采取在翼缘和钢板之间点焊加强二者的共同作用。为了验证该加固技术的可行性,并得到对工程结构设计有实际意义的非线性屈曲极限荷载,运用通用有限元分析软件ANSYS11.0对加固前后钢柱进行数值模拟,模型考虑钢柱的初应力、初始缺陷、翼缘和外贴钢板之间的耦合接触,对不同负荷大小、外贴钢板厚度以及柱长细比进行非线性屈曲分析。结果表明:贴焊钢板能显著提高加固后钢柱的非线性屈曲极限荷载;负荷越小,钢板越厚,非线性屈曲极限荷载越大;对于细长柱,非线性屈曲极限荷载增量较大,加固效果更加显著。

深水海底管道极限承载能力分析

在深水海域铺设海底管道的环境条件往往比浅水区域更加恶劣,将会在管道垂弯区产生较大的荷载组合,可能导致管道发生屈曲破坏.为确保管道的安全,将深水海底管道简化为理想弹塑性材料,对管道铺设时的受力状态进行理论分析.以最大变形能密度为屈服准则,推导出海底管道在弯矩、轴向拉力和外压共同作用下的极限承载能力公式,并应用到S型深水铺管施工受力分析中.结果表明,水深越深则管道上的荷载组合越大,径厚比越大则管道的极限承载能力越小.使用推导出的深水管道极限承载能力公式可以快速、有效地判别管道是否安全.当铺设水深超过3500m时,算例中径厚比为20的管道将发生屈曲破坏,而在2000m水深时,径厚比超过30的管道才会发生屈曲破坏.

海洋平台受损构件的承载能力与加固分析

采用了数值有限元和弹塑性理论解析方法,对某海洋平台结构受大型船舶冲撞的斜撑受损构件进行承载能力分析,同时对灌浆卡箍维修方案进行了理论分析与数值计算,分析评价了灌浆卡箍的修理方法。利用混凝土强度理论von Mises破坏准则,建立灌浆卡箍的轴向受拉、轴向受压和面内弯矩作用下的非线性有限元模型进行计算,与理论分析所得的承载能力设计值比较表明,灌浆卡箍的轴向抗拉、抗压承载能力要比原钢管强,但其抗弯承载能力不如原钢管。对照APIRP2A规范提供的设计值进行分析比较表明,其加固方案是安全的,用它进行海洋平台结构受损构件的承载能力及加固分析是可行的。

船舶与海洋平台撞击的荷载模拟

以某导管架结构的X斜撑在导管架安装阶段受到大吨位起重铺管船撞击后的损伤检测结果为依据,对碰撞过程进行了数值模拟,按照构件模型从简单到复杂的模拟思路得到了船舶对海洋平台结构的撞击力。建立了船舶与海洋平台碰撞系统的力学模型,对导管架平台受损构件进行了等效静力强度计算分析。为了考虑在船舶冲撞下的整体平台结构动力效应的影响,在分析时考虑了碰撞过程的水动力效应,桩-土-平台结构的相互作用,采用非线性弹簧来模拟受损构件局部凹陷损伤,在船舶以不同的速度与平台发生碰撞的情况下,模拟出平台受撞击构件的永久凹陷变形与碰撞接触时间的曲线,反演分析计算了船舶对平台结构碰撞的最大撞击力。为确定受到撞击后导管架平台结构构件和管节点的损伤程度,提出合理可行的修理加固方案提供了分析依据。

大型船舶碰撞引起的海洋导管架平台结构损伤分析

主要对某一海洋导管架平台结构受到大吨位起重铺管船的碰撞进行了详细的非线性数值动力模拟。采用非线性弹簧来模拟受损构件的凹陷特性,计算分析了船舶侧向撞击导管架平台结构在不同的碰撞接触时间下的构件损伤情况,与实际结构损伤的检测结果相比较,反演计算分析了船舶以不同的速度与平台发生碰撞,得到了不同的碰撞接触时间和最大撞击力,以及导管架平台结构主要节点的应力、位移时间历程曲线,可以确定受到撞击后导管架平台结构构件和管节点的损伤程度,对提出合理可行的修理加固方案提供了理论依据。