饱和粘土中导管架平台单桩水平承载力分析

运用ABAQUS有限元分析软件,建立饱和粘土中单桩的桩土耦合模型,对现役导管架平台桩基在水平载荷下的承载问题进行了数值分析。分析结果表明,6倍桩径以上为桩的关键受力部位,平台设计时桩从泥面往下6倍桩径处必须加厚处理,保守设计为12倍桩径;最大土抗力出现在2.5倍桩径处,最大位移为土表面;水平载荷下桩土的承载部位主要集中在上部,土抗力出现最大值的位置比桩出现最大弯矩的位置要往上,并且土抗力不会随着深度的增加而无限增大。该项研究结果对平台的设计及现役导管架平台的评估有一定参考价值和指导作用。     

落石冲击载荷下埋地油气管道力学分析

落石冲击会对埋地油气管道造成巨大损害,严重影响管道安全运营。利用有限元软件,建立落石冲击埋地油气管道的数值计算模型,模拟了落石冲击埋地管道的过程。通过改变落石冲击速度、管道壁厚及管道埋深参数,分析了相关参数变化时管道的力学变化规律,得到以下结论:埋地管道会在落石的冲击作用下形成凹陷,管壁应力迅速增大,管壁屈曲后应变迅速增大;管道应力、应变以及凹陷顶点的速度极值点会随着落石速度的增大而增大,随着管道壁厚、管道埋深的增大而减小;管道屈曲时,其应力会发生波动,同时应变增加更明显,凹陷顶点速度会有二次回升现象。研究结果对管道的安全运营具有一定的指导意义。     

车辆载荷作用下大口径埋地钢管力学性状分析

为了研究大口径埋地钢管在车辆载荷作用下的力学特性,利用ANSYS有限元软件建立车辆-道路-管道耦合系统的三维有限元模型,模拟车辆在行驶过程中埋地管道位移和应力随时间变化的规律,定性分析车速、车辆轮压和车辆载荷作用位置等因素对管道力学性状的影响,并对比讨论了车辆载以静载荷和动载荷两种不同方式加载时对管道产生的不同影响。研究表明,管道位移和应力随着车速增加而减小,随着轮压增大而增大,因此应避免车辆低速超载的情况。该研究可为车辆载荷作用下埋地管道的设计与防护提供理论参考。     

冻土区横向滑坡对埋地管道应变的影响研究

为研究冻土区横向滑坡对管道应变的影响,采用ABAQUS有限元软件建立冻土区管道横向通过滑坡的模型,研究了山体高度、滑坡位移和滑坡宽度对管道应变的影响规律,得到如下结论:冻土区山体滑坡时,横穿管道所受的轴向应变主要为拉应变,最大应变在滑坡与非滑坡交界面,是危险截面;管道应变随山体高度、滑坡位移和滑坡宽度的增加而增大;冻土区管道敷设不宜超过高55 m的山体,因为该高度山体滑坡后,埋地管道可能快速发生塑性变形,山体高度对管道应变影响最大为44.0%;低矮山体滑坡位移对管道应变影响更明显,应变增量可高达1倍;滑坡宽度对管道应变的影响最大为27.0%,但滑坡宽度为20 m时,管道应变突增,建议每隔20 m左右设置抗滑桩,山体越高,防护措施布置应更紧密。研究结果可为冻土区埋地管道的施工建设提供理论依据。     

内压与海床联合作用下海底管道撞击数值研究

为了研究海床和管道内压对坠物撞击管道的影响,采用ABAQUS有限元软件建立了坠物撞击海底管道的有限元模型,分析了撞击过程中海底管道的动态响应。采用摩尔库伦模型模拟海床的非线性特性,并引入罚函数处理坠物、管道和海床三者的接触关系。分析结果表明:海床和管道内压对坠物撞击管道起到了保护作用。黏土海床对管道撞击的保护作用比砂土海床大,砂土海床对管道撞击的保护作用比刚性海床大;随着内压的增大,管道变形最大凹陷值减小;同时考虑内压和海床作用时管道受坠物撞击后的最大凹陷值比2个因素均不考虑时小,相差最大处达到了9.6%。所得结果对海底管道抗坠物撞击设计和管道的安全服役具有指导意义。     

冲击载荷作用下埋地长输管道动力响应研究

由于土体的离散性较大,所以从理论上求解埋地管道在冲击载荷作用下的动力响应比较困难,且目前国内外关于埋地长输管道的试验研究也比较缺乏。鉴于此,从试验测试和数值模拟两方面出发,通过制作土箱-管道缩尺模型,进行埋地管道的冲击载荷试验,分析了埋地管道振动加速度的传播规律和应力应变分布情况。研究结果表明:随着距振源距离的增加,管道竖向方向振动加速度逐渐减小;通过试验研究和有限元数值模拟,可以得到在冲击载荷作用下管道竖向方向的振动加速度沿水平方向传播的近似关系式;在冲击载荷作用下,随着冲击高度的增加,管道应变峰值逐渐增大,且管道中部区域应变峰值最大,管道上、下表面应变呈反对称,沿管道两端方向,管道应变峰值逐渐减小;冲击载荷作用下埋地管道动力响应的有限元模拟结果与试验结果很接近。研究结果可为复杂工况下埋地管道抗冲击设计规范的制订提供参考。     

深水钻井水下井口稳定性分析

为了对深水钻井水下井口稳定性进行分析,基于土力学理论,利用大型有限元软件ANSYS中管单元和非线性弹簧单元模拟管-土受力与变形过程,对水下井口的横向位移、井口转角以及管身弯矩进行分析。建模时将表层导管与海底浅层土横向及竖向作用简化为管-非线性弹簧模型,导管视作线弹性管,用非线性弹簧来模拟土层的变形特性,通过共用节点实现管单元与非线性弹簧单元连接。分析结果表明,钻井船偏移量相同时,导管的横向偏移、井口转角、管身弯矩都随顶部张力比的增加而增大;钻井船偏移量增大后,高的张力比会急剧增大井口的横向位移、转角和管身最大弯矩,易造成井口侧翻。当钻井船偏移量增大时,建议适当降低隔水管顶部的张力,以降低井口侧翻的风险。     

埋地管道强夯动力响应对土体参数的敏感性分析

为了分析埋地输气管道动力响应对周围土壤主要土体参数的敏感性,建立了夯锤—土体—管道三维实体接触模型,并根据前人强夯试验实测值对模型进行了验证。利用所建模型分析了埋地输气管道在强夯荷载下的动力响应过程,研究了管道等效应力分布对周围土体黏聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比的响应规律,以及管道最大等效应力对以上土体参数的敏感性。结果表明:(1)强夯荷载作用下埋地输气管道发生了较大的位移振动,最大等效应力点位于管道前端XY平面管壁顶部,管道顶部单元等效应力呈单脉冲型;(2)管道等效应力随着周围土体黏聚力、内摩擦角的增大而减小;(3)最大等效应力随土体泊松比的增大而增大,而最小等效应力随土体泊松比的增大而减小;(4)当土体弹性模量为30 MPa时,管道最大等效应力略小于20 MPa时的最大等效应力,而最小等效应力远小于10 MPa时的最小等效应力,但等效应力总体随土体弹性模量的增大而增大。结论认为,土体弹性模量对管道最大等效应力影响最大,其次为内摩擦角和泊松比,黏聚力对其影响最小。     

基于应变设计的跨斜滑断层埋地管道地震反应分析

中亚天然气管道D线工程穿越大量活动斜滑断层,埋地管道受断层错动影响极大,在断层错动作用下管道极易发生大变形,管道内部因产生较大应变而失效破坏。目前国内对基于应变的管道设计研究较少,并主要对拉应变进行分析,缺乏对压应变的研究,同时现有的解析方法对跨斜滑断层管道应变问题无法求解。因此研究跨斜滑断层埋地管道的设计应变意义重大。为此,采用非线性有限元分析方法,建立了ABAQUS数值模型,基于应变设计对跨斜滑断层埋地管道反应进行了研究,分析了埋深、管道直径、壁厚、管道内压和土体压缩模量这5项参数对管道拉应变、压应变的影响。通过对中亚天然气管道D线工程实际工况的分析,利用MATLAB软件拟合获得了管道最大拉应变、压应变的回归公式。研究结果表明:(1)管道拉、压应变分布规律不同,管道拉应变随断层位移增大而增大,管道压应变随位移先增大而后减小;(2)工程中采用浅埋软土、小直径厚壁管道及低管压等措施均有利于管道对断层错动的抗震设防;(3)回归公式能为跨斜滑断层埋地管道工程的设计与安全评价提供参考。     

地震激励下管-土动力相互作用试验研究

海底管道的建设往往要考虑地震的影响,而管-土相互作用机理则是进行埋地管道抗震分析的基础。基于Cauchy原理和Buckinghamπ定理进行了试验相似比设计,以保证模型与原型相似,研制了叠层剪切箱来模拟地基边界效应,探讨了管-土间相对位移的试验量测方法,考察了管道埋深、地震动峰值、远近场地震动类型等因素对埋地管道抗震性能的影响,获得了管-土接触面相对位移、管道应变分布等试验数据,分析了管道应变与土体位移的关系。试验发现:管道与土体间的相对位移是管道结构产生应变的主要原因,土体本身以及管-土接触面的非线性发展是影响管-土相互作用程度的决定因素。