交通荷载作用下埋地管道的三维力学性状分析

针对埋地PE管道采用ANSYS商业软件建立了移动恒定荷载作用下三维力学模型,基于新建模型监测了行车荷载作用过程中埋地管道关键位置处竖向位移以及Mises应力的时程响应,分析了移动恒定荷载作用下车行道下方埋地柔性管道的力学性状以及不同结构层的力学性状.研究结果表明:(1)管道纵向上最大力学响应出现在行车荷载作用点正下方的管道顶部,任意横截面上,竖向位移以及Mises应力的最大值均位于管道顶部;(2)监测点与荷载作用点间距离越小,管道监测点处的力学响应越大;(3)管道纵向长度方向上管顶的竖向位移和Mises应力的最大值出现在道路两端,管道中间部位最大力学性状差别不大;(4)埋深较浅的结构层受移动荷载影响程度较大,随着埋深增加,受影响程度快速降低.     

交通荷载作用下埋地管道应力分析与现场测试

为研究交通荷载作用下管道结构的力学响应特性,应用线弹性力学理论,将车辆轴载下埋地管道的静力计算问题分解成3个部分依次求解：基于Boussinesq解答的管顶附加土压应力计算,基于Winkler弹性地基梁模型的管道纵向应力计算,基于Iowa公式的管道环向应力计算. 在此基础上探讨轮压、管道埋深、轮-管水平距离、管-土相对刚度、土壤阻力模数等参数对埋地管道力学性状的影响规律. 此外,应用光纤光栅传感器,对某供水管道在车载作用下的应变响应进行现场测试. 理论计算方法和测试结果对比分析表明：采用该传感器监测管道表面应变具有较高的精度和灵敏度;管顶轴向应变峰值对车速的不敏感;采用静力计算方法分析车辆荷载作用下埋地管道的应力问题具有合理性．     

脱空排水管道高聚物修复前后力学特性分析

高聚物注浆技术是一种经济高效的排水管道渗漏脱空处置方法,但修复后管道力学性能恢复状态尚不明确.基于ABAQUS软件建立了道路结构、路基土体及管道相互作用的三维有限元模型,对比分析了正常管道、脱空管道和高聚物修复管道在交通荷载作用下的纵、环向力学特性.结果表明,交通荷载对其作用位置两侧6 m和4 m范围内管道的应力和变形影响显著,影响程度与荷载大小呈正相关;各管节处Mises应力高度不连续;交通荷载为1. 0 MPa时管道受力和变形明显大于交通荷载为0. 5 MPa时;高聚物修复管节脱空后管道受力和变形均恢复到了正常管道水平,达到了可靠有效的修复效果.研究成果为实施针对性管道修复提供了理论依据.     

断层竖向错动作用下隧道力学响应数值模拟研究

采用有限单元方法数值模拟研究断层竖向错动位移、断层错动速率、断层宽和断层摩擦对断层错动下隧道力学响应的影响规律。结果表明:断层竖向错动位移显著改变隧道断层截面第1应力的大小和分布。断层错动隧道断层截面出现最大第1主应力,不受断层竖向错动位移、断层错动速率、断层宽度和断层摩擦的影响。断层错动影响范围主要受到断层位移和宽度的影响,受断层错动速率和断层摩擦系数影响较小。断层错动速率越快,断层摩擦系数变化对应力峰值增加的影响越明显。主动盘内隧道截面衬砌第1主应力随断层错动速率增加而增加,但是断层截面的第1主应力随断层速率增加,先增后减,在0.1m/s断层速率条件下,达到最大值。     

动载作用下半刚性沥青路面瞬态响应分析

为了研究车辆行驶作用下半刚性基层沥青路面的力学响应规律,采用大型有限元分析软件ANSYS12.0,基于实测荷载图式建立了非均布竖向移动荷载下层间有限粘结的弹性体系模型,探讨了动载作用下半刚性沥青路面竖向位移、各向应力和应变的瞬态动力响应规律。结果表明:通过实测轮胎接地面积计算得到折减系数为0.82,进而得到更为精确的荷载响应结果;荷载移动过程中,半刚性沥青路面的水平拉应力和拉应变的最大值并非出现在基层层底,路面各层计算点会出现交替受压或受拉现象;进行路面结构分析时,应通过控制行车方向的应力和应变满足水平方向的力学响应要求。     

随机振动环境下液压直管道设计方法

为了减小硬岩掘进机(TBM)工作过程中产生的随机振动对其液压系统中的液压直管道位移和应力的影响,建立了随机振动环境下液压直管道设计模型,并采用实验验证了模型的正确性。分析了管道结构参数对液压直管道应力响应和位移响应的影响规律,发现液压直管道应力响应和位移响应随管道内径和管道长度的变化趋势是相反的,而随着管道壁厚的增大,管道最大位移响应和最大应力响应均增大。采用基于遗传算法的多目标优化算法对随机振动环境下两端固支液压直管道的结构参数进行优化设计,对比分析了设计前后管道的应力响应和位移响应,结果表明,设计后的管道最大位移均方值降低了约16.21%,最大应力均方值降低了21.04%。研究结果可为随机振动环境中液压管道的抗振设计与选型提供理论依据。     

基于流固耦合的埋地供水管道地震响应分析

为研究埋地供水管道在地震作用下的动力学特性,以流固耦合理论为基础,结合ANSYS Workbench软件,建立埋地供水管道在地震作用下的管-水流固耦合模型,采用四面体单元代替六面体单元对管道内流体进行网格划分,在施加土压力荷载和地震动力作用下,分析管道总变形和等效应力,探究流体流速、工作压力、管径、埋深及壁厚等参数对管道最大等效应力响应情况.结果表明,在地震波加载4. 2 s时,管道总变形和等效应力均达到最大值,最大变形出现在管道中部,等效应力的最大值出现在管道的出口端;管道的等效应力随管道的埋深、壁厚和工作压力的增加而增大,不受流体流速的影响,但随管径的增加先增大后减小.同等条件下,DN800管道的抗震性能最佳.     

基于渐近均匀化理论的加筋土路基在交通荷载作用下的动力响应分析

通过渐近均匀化方法将加筋土路基等效成单一弹性参数的材料,再利用An-sys建立加筋土路基的三维有限元模型.用移动恒载来模拟交通荷载,研究加筋土路基在该荷载作用下的动力响应.具体研究了不同代表测点的等效Mises应力、竖向位移、竖向加速度的时程曲线变化规律,以及随着单轮轮载值、行车速度、距路基表面深度改变而变化的规律.     

不同初始状态软黏土在主应力轴耦合旋转下的孔压及3维变形规律

土体在受波浪、地震及交通荷载等荷载作用时,其相应的应力状态较为复杂,因此,在实际工程中偏应力和主应力轴方位角同时变化的情况普遍存在.目前,关于这种应力条件下原状软黏土的物理力学特性的研究尚处于起步阶段.主应力轴耦合旋转是指在主应力轴方向旋转的同时,偏应力不断增大,平均主应力、中主应力系数均保持不变.为研究主应力轴耦合旋...     

ANSYS软件在分析地下埋管工程中的应用

以带有刚性基础的沟埋式管道为例,介绍了利用ANSYS软件进行管道结构有限元分析的基本过程,包括模型的建立、边界条件与荷载的施加、问题的求解和结果的分析.本文分析了管壁环向应力分布规律,指出管顶、管底和管侧为管壁的三个控制性截面,并与结构力学方法、边界单元法的计算结果进行了比较;同时,对管周回填土的沉陷进行了分析,并与马斯顿的"等沉陷层"理论作了比较.     

车辆荷载作用下贝雷梁钢便桥动态响应数值仿真分析

以现代抢险救灾常用的贝雷梁钢便桥作为研究对象,采用ANSYS对其建立空间整体有限元模型,运用瞬态分析方法,模拟车辆过桥的整个过程,分析贝雷梁钢便桥的动态响应.结果表明:双排贝雷梁不均匀承担荷载,内侧贝雷梁相对较大,尤其在中轴和后轴荷载作用时,内外贝雷梁竖向位移差异最大;双排贝雷梁侧向位移几乎相同,且在中轴和后轴荷载作用时最大;主要以侧向和竖向振动为主,且不可忽略侧向振动响应,轴向振动响应较小可忽略不计.     

钢栈桥桩顶梁截面ANSYS简化对其力学性能的影响

为了研究钢栈桥桩顶梁截面形式在ANSYS中简化后对其力学性能的影响,以黄河大桥施工栈道桩顶梁为研究对象,利用ANSYS建立原始模型和简化模型,首先分析静力作用下两者应力的差异,然后分析风荷载作用下施工栈道动力响应的差异。结果表明:(1)在上部结构自重作用(静力作用)下,两者最大竖向位移相差仅为0.56%,米塞斯应力相差仅为0.68%;(2)在风荷载作用(动力作用)下,两者桩顶梁中部节点最大速度绝对值相差0.023%,最大加速度绝对值相差0.2%。在上部结构自重作用或者风荷载作用下进行钢栈桥受力分析时,可用简化截面代替原截面进行计算。     

多层土地段钢顶管顶部竖向土压力计算

对《给水排水工程管道结构设计规范(GB50332-2002)》等文献中柔性钢顶管顶部竖向土压力标准值的计算公式进行了补充和完善.新导出的计算公式可计入土体黏聚力的作用,能够反映管顶土层对地面荷载的卸荷作用,可用于管顶为多层土的地段;可定量反映出管顶上方不同位置处、不同厚度的硬土层对管顶竖向土压力的减载效果;较原来的计算公式有较大的改进.     

基于细观结构的沥青碎石封层路面力学行为分析

为了认识沥青碎石封层的力学行为与破坏机理,采用有限元软件建立沥青碎石封层细观结构二维有限元模型,分析在竖向荷载作用下封层内部细观结构应力、应变和位移的力学行为特性。分析结果显示：轮迹内侧边缘碎石竖向位移最大,偏转角度最小;相反,轮迹外边缘碎石偏转角度最大,并向两侧逐渐递减。沥青层内的水平应变主要为压应变,轮迹外侧沥青和胶浆层接触面上剪应变最大。黏结层的水平变形、剪切变形均不同程度大于沥青层,黏结层与胶浆层交界处具有最大等效Mises应力,易发生剪切破坏。胶浆层的中心主要为受压变形,胶浆层两侧边缘处主要表现为较高剪切变形。     

动荷载作用下纤维沥青路面的黏弹性响应

目的为了分析动荷载作用下纤维的加入对路面黏弹性响应的影响.方法以Burgers模型模拟纤维沥青混凝土的黏弹性性质,基于黏弹性理论,应用有限元方法分析单周期动荷载作用下,不同荷载作用时间对不同纤维沥青路面的路表各点最大竖向位移和卸载后加载中心点竖向位移的影响规律.结果纤维加入到沥青路面后,减小了路面的竖向位移;对于不同纤维沥青路面结构,在荷载作用时间较短时,路面结构的流变性质不显著;荷载作用时间较长时,卸载后还有部分残余变形不能恢复,但路面响应规律基本相同.结论纤维的加入提高了路面的整体变形能力,但没有明显改变沥青混凝土的黏弹性性质;在单周期动荷载作用下,若荷载作用时间很短时,可以忽略纤维沥青混凝土的黏弹性特征.     

黏弹性地基无限长板的瞬态振动分析

为了评价公路、机场等结构在交通荷载下的动力响应,基于W inkler地基薄板理论,利用级数展开法和Lap lace-Fourier变换推导了黏弹性地基上无限长板在半波正弦瞬态荷载作用下位移和应力的解析解.计算和分析了不同时刻板的位移和应力变化情况,并同弹性地基静荷载情况的位移和应力进行了比较,讨论了荷载作用时间及阻黏系数对位移和应力的影响.黏弹性地基板的位移随荷载作用时间的增长而增大,应力和位移随地基阻尼增大而减小.本文结论对路面设计、品质评价及破坏机理分析有重要意义.     

具有半封闭隧道的饱和粘弹性土动力特性

考虑介质和流体的压缩性,根据Biot理论和弹性壳体理论,在频率域内研究了饱和分数导数粘弹性土体-半封闭圆形隧道壳体衬砌系统耦合振动.将土体视为液固饱和多孔介质,选择反映介质流变特性的分数导数模型描述土骨架的应力-位移本构关系,又引入部分透水的边界条件,得到了饱和粘弹性土体中半封闭隧洞内边界分别在轴对称荷载和流体压力作用下位移、应力和孔压的表达式.进行了参数分析,研究表明:轴对称荷载条件下,分数导数阶数对系统响应的影响远大于流体压力情形下的动力响应,且存在明显的共振效应,但流体压力条件下不产生共振现象.     

移动荷载下无面层加筋路基的动力响应

为研究移动荷载下饱和加筋复合土体的动力响应问题,采用半解析方法,将加筋路基看成宏观上的横观各向同性体,由Biot波动方程出发,对荷载进行Fourier级数展开,假设响应函数的级数形式,结合边界条件,由待定系数法求解考虑固液耦合作用的饱和加筋复合土体在移动荷载作用下土体位移、有效应力及孔压的表达式,通过计算分析加筋率、筋材模量、荷载移动速度对复合土体竖向位移和孔压的影响.数值分析结果表明:加筋率只有在一定范围内时加筋效果才会比较明显;加筋复合土体表面最大竖向位移随着速度的增大而增大,达到峰值后迅速减小.     

球墨铸铁管道接口弯曲性能试验

为了研究球墨铸铁供水管道承插式接口在拉弯耦合作用下的力学性能及破坏模式,开展了系列管道接口的极限抗弯承载力试验。在外部无覆土、管内水压为0.2 MPa条件下,考虑接口不同拉弯耦合形式、单调和往复加载形式,并分别对DN150和DN200型管道承插式接口进行了四点弯曲加载,研究接口的力学性能变化过程及破坏形态。试验结果表明：根据承插式接口不同的初始张开量,管道接口的“弯矩-转角”曲线大致分为3个阶段(线性增长阶段、塑性发展阶段和承载力极限破坏阶段),当安装深度与承口深度比在0.67左右时,DN150和DN200型管道接口的弯曲转角变形能力最大,分别为15.9°和12.8°,对应抗弯承载力分别为7.8 kN·m和9.2 kN·m;往复加载下,安装较深的管道接口具有较高有效抗弯刚度,但在二次加载时刚度退化显著;承载力极限破坏时管道插口发生屈曲变形,管底最大残余应变为5.7×10^-4,接口椭圆度达4.2%。相关结论可为埋地球墨铸铁管线的震害、抗震验算、设计与措施等研究提供参考。     

移动车辆荷载下土石混填路基动力响应分析

为研究车辆荷载下土石混填路基的动力响应，利用ABAQUS有限元软件建立沥青路面系统三维数值模型。采用移动均布荷载模拟车辆荷载，分析不同的行车速度和车辆荷载作用下土石混填路基动应力、变形的响应规律，并确定路基工作区深度。结果表明：在路基横断面，车轮作用位置处竖向应力最大，远离作用点时应力减小；动应力和变形在路基深度1 m范围内衰减最快；车辆荷载对路基的影响程度要大于车速对路基的影响程度；随着车辆超载率的增加，路基的动应力响应也就越大，路基的工作区深度在2.33 m～4.15 m之间。