考虑管土接触状态的圆曲线顶管顶进力计算方法

为探究不同管土接触状态下圆曲线顶管顶进力计算方法,结合港珠澳大桥拱北隧道曲线钢顶管工程的相关数据,利用国内外几种常用的曲线顶管顶进力计算公式,以及利用ABAQUS软件建立的考虑注浆作用和管土接触范围的顶进力有限元分析模型,分别进行了顶进力计算。与实测顶进力数据的对比分析表明:(1)顶进力计算值大小为:JMTA公式?上海规范公式>Shimada公式,其中考虑1/3管土接触面的Shimada公式下限计算值与实测值较为接近。(2)通过数值模拟发现,1/3管土接触状态模拟顶进力,逐渐向1/2管土接触状态接近;在注浆状态下,前期实测顶进力接近1/2管土接触状态下的顶进力;后期顶进趋近平稳时,实测顶进力接近1/3管土接触状态下的顶进力。本数值模型能够对同类型工况下顶管顶进力进行较好预测,对实际施工具有一定的指导意义。

矩形顶管管土接触状态及顶进力研究

为了合理预测矩形顶管管周摩阻力,进而更加精确地确定顶进力,对矩形顶管的管土接触状态进行分析发现:注浆效果良好时,矩形管节在泥浆中处于上浮状态;注浆效果一般或土体稳定性较差时,管土接触状态倾向于全接触。在此基础上提出管土全接触、管顶及两侧与土体接触、管顶及一侧与土体接触和管顶与土体接触为4种最有可能的接触状态。分别进行管土和管浆摩阻力理论计算公式的推导,结果表明:管浆摩阻力可以忽略,采取太沙基竖向土压力理论可以较好地预测矩形顶管管顶竖向压力大小,据此建立了不同管土接触状态下的管周摩阻力计算模型。考虑不同管土接触状态,开展矩形顶管顶进数值模拟,通过与工程实测顶进力进行对比,结果表明:在管顶及一侧与土体接触的假设下,数值模拟和理论计算得到的顶进力与实测值误差分别为13.2%和8.5%。

管土接触作用下埋地管道力学分析

为了研究管土间作用规律,运用ANSYS软件建立了基于接触单元的三维管土接触有限元模型,分析得到了管周接触应力的分布。给出了管土相互作用计算的弹性解,对比分析得出其与有限元模拟结果非常接近,表明管土接触分析模型能够较好地模拟管土相互作用。计算分析了管道埋深、土体粘聚力、管土摩擦因数、内摩擦角对管土接触应力的影响。

管土接触作用下直埋供热管道折角的强度分析

为探究折角应力变化规律,基于非线性有限元法,使用实体单元模拟管道与土壤,接触单元模拟管土相互作用,建立实际工况下折角的数值计算模型。计算并比较不同管径、壁厚、折角角度、压力等级等参数下折角的Mises应力值,得到不同参数下折角峰值应力的变化规律。分析结果表明,与实验及梁-土弹簧模型相比,管土接触模型能够较好地模拟折角的破坏。为扩大折角在供热工程中的应用范围,可通过限制折角角度、增加局部壁厚、改进回填土比例、提高土壤压实度等方式保护折角。

管土接触作用下直埋供热管道双层折角与传统折角对比分析

折角管段的布置是直埋供热管道工程中的一个技术难点。为了从根本上降低折角处应力最大值,提出了一种双层折角,建立了基于接触单元的管土接触有限元模型。通过数值计算开展了双层折角应力特性的研究。结果表明,与传统折角模型相比,双层折角能有效降低折角应力最大值,分隔应力集中区域,改善应力分布情况,降低管道变形程度,维持管土接触状态,能适应复杂的土壤环境。研究结果可扩大折角在直埋供热工程中的应用范围。

管土接触作用下直埋管道小折角优化分析

针对单焊缝小角度折角在供热管网中的广泛应用,提出双折角结构、双折角中间加厚和双折角双侧加厚结构形式,通过有限元方法对不同管件结构形式,开展不同折角角度和加厚壁厚下的局部应力和最大应力的模拟计算,获得最优管件结构及相关参数.研究结果表明,加厚折角焊缝两侧部分管段壁厚的方法可以有效降低折角焊缝处的应力集中,使DN800管径10°折角角度时焊缝处的最大应力值从520 MPa降低到240MPa,同时将应力集中区域从改变角度处转移到改变厚度处,在应力集中的数值大小和区域范围上均有效保护了折角管道,为处理直埋管道施工过程中出现的小角度折角找到了一种可行的折角安装管件.

管土接触作用下管道沉陷复杂应力分析

场地沉陷是导致埋地管道破坏的重要原因之一。应用管道与土体接触作用的半无限屈服理论,建立了沉陷作用下管土相互作用模型,以土壤和管道自重为载荷,计算了沉陷区长度、壁厚、内压、管径、管土摩擦因数、管道埋深等复杂因素作用下的管道应力,分析了其对管道Mises应力的影响规律,进而评估管道的安全性。算例分析结果表明,该方法能够较好模拟管道的破坏过程,可为沉陷区域埋地管道数值模拟提供理论依据。(表3,图7,参10)

基于接触单元的埋地管线有限元抗震分析

埋地管线有多种简化计算模型,但计算结果相差较大.管土之间的相互作用可以看成管土接触问题,利用接触单元建立埋地管线及土体三维实体模型,并对地震荷载作用下的管线进行应力计算,给出了最大轴向应力.对比规范方法、理论方法、梁-土弹簧模型、管土接触模型的4种计算结果,现有简化模型的计算结果偏小,偏于不安全.

大直径顶管施工管土相互作用实测分析——以佛山市电力隧道顶管工程为例

为研究大直径顶管在深埋高水压工况下的管节荷载变化,结合佛山市电力隧道顶管工程,对顶管施工过程中管节荷载、孔隙水压力进行实测分析,并比较现行各规范理论计算结果和实测管节荷载的区别,推导在注浆状态下管节荷载的计算方法。监测数据及计算结果表明:1)管节荷载在管壁四周分布较均匀,管节顶部荷载的变化受注浆压力影响较小,管节底部荷载与注浆压力变化基本一致,且管节底部荷载变化大于注浆压力的变化;2)管土接触状态在注浆顶进过程中符合隧洞稳定假设,顶进结束停止注浆后更符合管土全接触假设;3)在注浆状态下,各规范计算的管节荷载相比实测值较小,采用太沙基被动土拱理论推导的管节荷载计算模型更加合理。

液化场地埋地钢管地震易损性分析

位于地震活动区液化场地环境中的埋地钢管,除了需要长期面临地震灾害的威胁以外,还易受到土层液化所产生的浮力作用,从而发生严重破坏导致区域的正常使用功能中断.为了开展液化场地环境中埋地钢管的地震易损性研究,采用了Matasović非线性本构模型并结合经Byrne修正的Martin孔压增量模型描述土体的非线性特性及液化特性,基于ABAQUS有限元分析平台开发了相应的液化砂土UMAT程序,并通过建立与振动台实验相应的数值模型验证了其在有限元模拟中的分析可靠性;结合实体非线性接触模型和壳体-等效土弹簧模型的特点创建了管土接触-土弹簧数值模型并进行了埋地钢管增量动力时程分析,从而建立了不同液化区长度、不同埋深条件下钢管地震响应的需求模型,结合管道破坏状态的划分和从概率意义上确定的各极限损伤状态限值对3种不同液化区长度及3种不同埋深钢管分别进行了地震易损性分析,建立了液化场地钢管损伤指标与地震动强度指标之间的解析易损性模型,并进一步绘制了对应的易损性曲线.结果表明:在相同地震动强度作用及相同埋深条件下,液化区长度越长,埋地钢管的各极限破坏状态下超越概率越大;在相同地震动强度作用及相同液化区长度条件下,埋深越大,埋地钢管的各极限破坏状态下超越概率也越大.

顶管施工中管道受力性能的现场试验研究

对顶进过程中管道纵向与环向钢筋应力及管土接触压力进行了现场测试。实测数据分析表明,管节开始顶进时轴力随顶进距离增大而增大,顶进到一定距离后,基本维持在一定范围内。管顶和管底的内侧钢筋受拉,外侧钢筋受压;管节两侧的内侧钢筋受压,外侧受拉。钢筋混凝土管道可看作柔性管道。环向钢筋受力很小,但变动较大。管土接触压力随管道的顶进一开始缓慢上升,到一定距离后基本保持在一定范围内。注浆对管顶接触压力影响较大,注浆后压力明显减小,可取为上覆土重;对左右两侧接触压力影响较小。注浆前左右两侧跟管顶压力相差不大,注浆后则要明显大于管顶压力。

第三方挖掘作用下PE燃气管道失效行为研究

针对挖掘破坏导致的城镇燃气管道失效,开展了挖掘作用下管道力学失效机理分析。考虑管土接触作用,建立了城镇燃气PE管道在挖掘齿作用下的三维力学响应分析模型,分析了典型工况下管道的失效过程,讨论了基于应力准则与基于应变准则等2种失效准则的适用性,并开展了影响因素分析。结果表明:机械齿作用下管道主要失效位置为机械齿与管道接触位置两端;采用基于应变的失效准则可以更好地利用PE管材的塑性性能;机械齿的作用位置对管道力学响应影响较小;管径和壁厚的增大能减小管道内的应力,同时能够减小管道的截面椭圆度;内压的改变对管道的力学响应几乎没有影响。以上结果可为城镇燃气管道的力学失效分析与安全评价提供一定的参考。

基于主动式纠偏的曲线顶管施工力学特性研究

曲线顶管施工技术在市政管线工程中得到越来越广泛的应用。在分析曲线顶管施工机理的基础上,提出并对比分析了3种管节纠偏方案,进而结合主动式纠偏方案的施工特点,对三维曲线顶管施工过程中管土间挤压作用力进行计算分析,并推导了管节顶进摩阻力计算公式,其后对管线平面夹角、管线半径及管径大小3个摩阻力影响因素进行单因素分析。考虑管外注浆对管土接触状态的影响,进而引入土压力作用系数对顶进摩阻力计算公式进行修正,并通过对比分析顶进摩阻力的现场实测值、规范建议值及公式计算值,给出了土压力作用系数的建议取值范围。研究表明:主动式纠偏方案在管节姿态调整、施工扰动控制及管身衬砌受力等方面优于其他两种纠偏方案;顶管施工过程中管土间的挤压作用力呈三维复杂状态,不能进行简单的叠加;管线平面夹角对管节转动摩阻力有显著影响,管线半径对侧向顶推摩阻力和管节转动摩阻力均有一定的影响,而管径大小则主要影响地层土压力摩阻力的数值;管土接触状态是真实存在的,其土压力作用系数的取值范围大致在0.2~0.6之间。

双层海底管道悬跨振动特性模拟分析

针对双层海底管道悬跨问题,在充分考虑内外管相互作用的基础上,采用ANSYS软件建立了双层海底管道悬跨振动分析的有限元模型,并对双层管等效成单层管的简化方法及建模方式进行了研究。针对结构非线性、悬跨长度、管土接触长度及海流等因素的影响,对悬跨管线静态及动态响应进行了分析,对影响悬跨管道最大应力位置的因素及变化规律进行了研究,并对双层管与等效单层管的振动特性进行了比较。结果表明:双层管自振频率、跨中静态最大位移量和最大应力的变化对较小管土接触长度敏感,同时由于受悬跨长度和海流速度影响较大,双层管较等效单层管更易引起涡激共振;等效单层管随悬跨长度增大更易发生塑性变形而失效;采用等效单层管替代双层管的方法仅在一定跨长范围内适用。本文研究对双层海底管道悬跨振动特性的研究具有一定的参考意义。

直埋供热管道双层折角的应力分析

针对直埋供热工程中管道折角处易发生应力集中和变形而导致管道破裂泄漏的问题,提出一种新型双层折角结构。通过有限元方法,对比新型双层折角与普通折角的应力最大值和应力分布,分析外套管壁厚、肋片高度、管土摩擦系数对双层折角应力最大值的影响。结果表明:新型双层折角能有效降低折角的应力最大值,且折角角度越大,应力值降低效果越好;新型双层折角能适用于各种土壤环境,即使管土摩擦系数较小,也能很好地保护折角。研究结果可为实际工程中直埋折角的强化和大角度折角的敷设提供参考。

海底埋设管线平管起吊运动分析

基于有限元软件OrcaFlex,充分考虑不规则波浪、海流、管土相互作用以及船舶管线耦合运动,建立海底埋设管线平管起吊模型。参考DNV-RP-F110计算埋深管道受到的土壤阻力,依据DNV-RP-C205确定相关水动力系数。通过数值模拟研究分析管线在平管起吊过程中管道的运动响应以及吊绳张力的时间历程变化,为实际海底管线平管起吊提供一定理论参考。

矩形顶管管周差异摩阻力对地层纵向水平位移的影响

矩形顶管施工过程中管周摩阻力是引起周围土体扰动的重要影响因素。为了更加准确地预测矩形顶管施工对地层位移的影响,结合管节受力分析和泥浆运动规律,假定“U”字形泥浆套状态,基于弹性力学Mindlin解建立土体水平位移计算公式,对正面附加应力、管周摩阻力等因素引起的地层纵向水平位移进行计算,最后与苏州某矩形顶管工程实测值进行对比分析。结果表明:在顶管机头顶进穿过某一断面前,正面附加应力对周围土体的影响大于管周差异摩阻力,而在穿过该断面后,由于管节数量的增多以及已穿过部分的管节管周摩阻力产生的“拉力”作用,后者的累计影响占比逐渐大于前者;管周差异摩阻力情况下比管周均一摩阻力情况下的计算值更贴近实测值,预测效果更好。

埋地管线有限元抗震分析

利用接触单元对埋地管线及土体进行三维实体建模,并对地震荷载作用下的管线进行了应力计算,给出了最大轴向应力;对比了规范方法、理论方法、梁-土弹簧模型以及管土接触模型的四种计算结果,表明现有简化模型的计算结果偏小,偏于不安全。

海底管道悬空段边界条件仿真

海底管道悬空段更易受海底复杂海况的侵蚀而失效破坏,目前的研究一般将其边界条件简化成铰支或固支,但实际工程中悬空段的边界条件介于铰支和固支之间。本文采用ANSYS软件建立管土接触模型,计算管道悬空段动力特性和动力响应,分析不同土体,不同埋深对海管悬空段边界条件的影响。结果发现:管道自振频率随着土壤刚度的增大而小幅度增大;应力最大值集中在管土接触处及管道悬空段中心处。

基于接触单元的埋地弯头工作荷载下的强度分析

埋地弯头是长输管道常见的结构形式,易在外载作用下发生失效。基于非线性有限元方法,使用壳单元模拟管道,实体单元模拟土壤,接触单元模拟管土相互作用,建立了工作荷载作用下弯头受力分析的数值计算模型。对比计算了管径、壁厚、弯头曲率半径、弯头夹角、管土摩擦因数、土壤弹性模量不同特性参数下的管道应力,给出了管道峰值应力的变化规律:管径越大,弯头应力越大。结构上可以通过增加壁厚,增加弯头曲率半径与弯头夹角等方法减小弯头应力,而夯实弯头处的土壤也能够起到降低弯头应力的作用。