海底真空管道合理支撑间距测算模型与数值分析

海底真空管道(SVT)是一种适合穿越海峡、海湾的新型交通方式,其特征是在海床上每隔一定距离修建管墩,其上铺设管道,管道内抽成真空,供车辆高速行驶。由于海水对管道具有浮力作用,有效抵消管道重力荷载,减轻管道弯曲应力,使得管墩对管道的支撑间距可以较大。根据海底真空管道断面结构,分析管道固有频率取值,建立基于刚度条件和基于强度条件的支撑间距测算模型,计算管道自身静荷载、海水浮力荷载,推导单位长度上车辆许允重量算法,进而建立基于车辆动荷载的最大支撑间距计算模型。依据各模型,按钢质管道管径2～3. 4 m,管壁厚度10～30 mm,计算管道最大支撑间距,并进行数值分析。海底真空管道管墩合理支撑间距大于100 m,最大可达500 m,必要时中间加设张力腿。主要制约因素不在管道强度方面,而在于管墩抗压、抗拔和抗横向作用力的能力。提出海底真空管道预浮力法和预重力法概念以及管道设计原理。     

真空管道双层衬砌结构力学特性研究北大核心CSCD

为了保证真空管道运输系统的密封性能,提出了盾构管片与二次衬砌组合的真空管道结构。基于双层衬砌数值仿真模型,以上海淤泥质粘土为模拟地层,分别分析了复合式衬砌结构和叠合式衬砌结构真空管道的内力分布。在与常规盾构隧道内力对比的基础上,分析了复合式和叠合式两种结构形式的真空管道内力分布差异、压差荷载引起的轴力增量及层间接触压力等力学特性,探讨了压差荷载、竖向荷载、结构形式等因素对双层衬砌结构内力的影响规律。结果表明:双层衬砌结构的真空管道在压差荷载作用下对衬砌的弯矩无影响,但会引起轴力增量;当竖向荷载较小时,压差荷载会使真空管道双层衬砌结构产生脱离区,脱离区随着竖向荷载的减小逐渐发展扩大;复合式真空管道的管片、二衬的弯矩量值大于叠合式真空管道;在较大的荷载条件下,复合式真空管道横断面轴力分布不均匀比叠合式真空管道更加凸显。     

LNG低温真空管道真空度测试试验台设计与应用北大核心CSCD

为了研究温度变化对液化天然气(LNG)低温真空管道真空度的影响,文章基于表面温度法与温度场原理测量真空度的方法,设计出了一套基于温度法的高精度测量LNG低温真空管道真空度试验台。该低温真空管道真空度测试试验台以高真空多层绝热作为绝热方式、以多层反射层和隔热层组成的保温层作为绝热材料、以奥氏体不锈钢作为低温绝热管道的材料、以5A分子筛作为吸附残余气体的吸附剂,以低温液体容器、模拟服役管道、低温液体缓冲区、真空度和温度测试单元模拟实际中的真空管道,只需要通过测量真空管道外管外壁温度及对应的环境温度,获得其真空度。文章所设计的LNG低温真空管道真空度测试试验台攻克了目前真空管道中无法直接测量管道真空度的难题。     

管道断面外形对亚音速真空管道磁浮系统气动特性的影响

亚音速真空管道磁浮系统内部流场复杂,研究管道断面外形对气动效应的影响至关重要.基于计算流体力学,考虑流体粘性与列车悬浮间隙建立了三维亚音速真空管道列车空气动力学模型,数值模拟并对比分析了四种不同断面外形管道内的气动力、流场和气动热效应.4种典型的管道外形为圆形、马蹄形、矩形和拱形.研究结果表明:当阻塞比一定时,列车在拱...     

水下爆炸荷载作用下结构动力响应及损伤破坏

为了研究水下爆炸荷载作用下重力式沉箱码头的动力响应及其损伤评估,基于Coupled Lagrangian Eulerian算法,通过AUTODYN建立了一维自由场冲击波、气泡脉动数值模型,验证了数值计算的合理性;将突堤式沉箱码头数值计算结果与试验数据进行对比分析,验证了数值分析模型的可靠性;建立了典型重力式沉箱码头在爆炸荷载作用下的三维数值模型,并分析了不同炸药当量、混凝土强度、配筋率等条件下,重力式沉箱码头的动力响应及损伤破坏。结果表明：随着装药量的增大,峰值位移逐渐增大,且增大的幅度与速度有所提高;结构配筋率主要影响重力式沉箱码头的抗剪性能,在水下爆炸荷载作用下,提高结构配筋率、混凝土强度能够优化整体结构的抗爆性能。研究成果可以为我国重力式沉箱码头结构在水下爆炸荷载作用下抗爆设计及防护措施提供参考。     

真空管道结构模拟试验系统研制与试验验证

为研究真空管道运输系统管道结构在真空度和温度载荷作用下的结构力学问题,应用相似理论制作了应力相似比为1的真空管道模型,研制了真空管道结构模拟试验系统。系统由模型管道、真空系统、温度控制系统和数据采集系统4个子系统构成,具备真空度-温度耦合环境的模拟能力。在真空度0～95 kPa、温度30～60℃范围内,可以对真空管道结构力学性能开展试验研究。应用该系统完成了2组测试试验,结果表明,模型管道的结构应力与真空度和温度均呈线性递增关系;真空度和温度对管道结构的作用效果相互独立,对管道横截面不同位置的作用效果差异较大。试验系统实现了对真空管道运行环境的模拟和管道结构力学行为的监测,提供了真空管道力学行为的一种试验方法,为其在水土压力、列车运行载荷等更复杂条件下的力学性能研究奠定了基础。     

考虑淤砂层的理想流体层中悬浮隧道管体动力水荷载研究—SV波

为研究地震SV波对复杂海水环境中悬浮隧道管体动力水荷载的影响，考虑海洋沉积淤砂层的作用构建理论分析模型。根据不同介质材料的波动方程和位移势函数，结合地震SV波传播过程中的边界条件，基于MATLAB推导并求解了不同交界面处地震SV波的透射和反射系数理论方程。通过数值算例，分析了淤砂层饱和程度、入射波角度和锚索布置形式等参数对悬浮隧道管体动力水荷载的影响。计算结果表明:悬浮隧道结构在非饱和淤砂层体系中，相比在饱和淤砂层体系中承受更大动力水荷载的影响；较厚淤砂层对悬浮隧道在地震SV波作用下更为有利；增加锚索支撑刚度和减小锚索布置间距，能够降低地震SV波对悬浮隧道动力水荷载的影响。     

海底悬跨管道动力响应的试验研究和数值模拟

在地震活动区铺设海底管道必须考虑地震荷载的作用。通过在水下振动台模拟海底悬跨管道完成的动力模型试验,根据试验结果分析了管道的悬跨长度、悬跨高度、支撑情况和管内运输不同物质等因素对海底悬跨管道的动力反应的影响。并根据Morison方程建立的海底悬跨管道动力控制方程对试验结果进行了有限元数值模拟,计算结果与试验结果符合得较好。     

管道承插式接口轴向力学性能试验研究与数值模拟

通过球墨铸铁供水管线承插式接口抗拉静载力学性能试验,分析管道接口轴向的拉伸力学性能和破坏模式,并建立相应管道接口受力分析的有限元数值模型。在外部无覆土、加压注水条件下,对球墨铸铁输水管道承插式接口进行拟静力拉拔试验,模拟其在地震作用等往复荷载下的轴向受力与变形特征。试验结果表明,加载方式以及管道内部水压等对接口的轴向抗拉力学性能和破坏方式的影响不大,抗拉极限位移达到60 cm。基于OpenSees计算平台建立管道接口有限元模型,并对试验结果进行了模拟,结果表明建立的管道接口有限元模型能够较好地模拟管道接口在轴向往复荷载作用下的刚度退化和耗能等力学特征,为埋地管道在复杂轴向荷载作用下的受力分析和性能评估提供了必要的试验数据和计算模型。     

真空管道结构模拟试验系统研制与试验验证北大核心CSCD

为研究真空管道运输系统管道结构在真空度和温度载荷作用下的结构力学问题,应用相似理论制作了应力相似比为1的真空管道模型,研制了真空管道结构模拟试验系统。系统由模型管道、真空系统、温度控制系统和数据采集系统4个子系统构成,具备真空度-温度耦合环境的模拟能力。在真空度0~95 kPa、温度30~60℃范围内,可以对真空管道结构力学性能开展试验研究。应用该系统完成了2组测试试验,结果表明,模型管道的结构应力与真空度和温度均呈线性递增关系;真空度和温度对管道结构的作用效果相互独立,对管道横截面不同位置的作用效果差异较大。试验系统实现了对真空管道运行环境的模拟和管道结构力学行为的监测,提供了真空管道力学行为的一种试验方法,为其在水土压力、列车运行载荷等更复杂条件下的力学性能研究奠定了基础。     

隧道爆破荷载作用下埋地管道动力响应试验

埋地管道爆破动力响应特性是城市管道抗震优化设计的依据。设计并开展城市地铁隧道爆破荷载作用下埋地管道动力响应的相似模型试验,监测埋地管道应变、加速度及地表振动速度值,解析地铁隧道爆破地震波的传播衰减机制及其对邻近埋地管道动力响应影响规律。结果表明,基于量纲分析理论的振动速度预测模型用于隧道爆破时地表PPV预测切实可行;相同爆破荷载作用下,埋地钢管加速度峰值是PVC管的1.5～1.8倍;隧道"空洞效应"导致埋地管道在成洞区一侧的加速度响应更为剧烈;埋地PVC管在各测点处环向应变大于轴向应变,且大于钢管应变值,试验得到可有效监测埋地钢管和PVC管应变响应的最大临界比例距离分别为117 m/kg和263 m/kg。     

隧道爆破荷载作用下埋地管道动力响应试验

埋地管道爆破动力响应特性是城市管道抗震优化设计的依据。设计并开展城市地铁隧道爆破荷载作用下埋地管道动力响应的相似模型试验,监测埋地管道应变、加速度及地表振动速度值,解析地铁隧道爆破地震波的传播衰减机制及其对邻近埋地管道动力响应影响规律。结果表明,基于量纲分析理论的振动速度预测模型用于隧道爆破时地表PPV预测切实可行;相同爆破荷载作用下,埋地钢管加速度峰值是PVC管的1.5～1.8倍;隧道"空洞效应"导致埋地管道在成洞区一侧的加速度响应更为剧烈;埋地PVC管在各测点处环向应变大于轴向应变,且大于钢管应变值,试验得到可有效监测埋地钢管和PVC管应变响应的最大临界比例距离分别为117 m/kg和263 m/kg。     

随机车流作用下悬浮隧道车-隧耦合振动分析

悬浮隧道是面向未来交通设计的一种跨海结构物。为研究随机车流作用下水中悬浮隧道的车-隧耦合振动特性,基于不同车型、车间距和车速情况下的随机车流模型,分别采用蒙特卡洛法和有限单元法进行随机车流和悬浮隧道的理论建模。结合Morison方程和车辆位移协调关系,提出了车-隧耦合作用的分析单元,并对悬浮隧道车-隧耦合振动进行数值求解,通过统计分布的方法对计算结果进行讨论。计算结果表明：悬浮隧道在高流量的随机车流荷载作用下发生剧烈的车-隧耦合振动;悬浮隧道的L/4和L/2位置的加速度均方值a_rms服从正态分布的概率分布形式,且L/2位置受到更明显的随机车流荷载作用影响;降低断面锚索竖向刚度和增加锚索布置间距能够改善悬浮隧道的耦合振动竖向加速度幅值,但改善效果呈边际效应递减的趋势。     

X56海底管道在腐蚀环境下疲劳裂纹扩展过程预测

海底管道浸没在海洋环境中,腐蚀疲劳破坏十分常见,因此为这些管道的剩余疲劳寿命提供一种准确的预测方法至关重要。本工作研究了海浪循环荷载下含裂纹管道的疲劳裂纹扩展行为,提出了一种新的管道寿命预测方法。使用新提出的形状因子处理试验数据获得X56钢的Paris常数,并分析了其在腐蚀环境下的疲劳性能。运用有限元软件模拟管道疲劳裂纹的扩展过程并计算其应力强度因子(Δ~K),随后基于Paris公式对管道的剩余寿命进行预测。结果表明,对于给定的Δ~K,海水中管道的疲劳裂纹扩展速率(da/d N)为空气中的1. 6倍,且随着疲劳裂纹扩展速率的增加,海水对管道腐蚀疲劳的影响逐渐降低。运用新提出的方法预测管道剩余寿命并与足尺寸X56管道疲劳试验结果进行对比,结果表明该方法能够有效地预测管道的疲劳裂纹扩展状态和剩余疲劳寿命。     

框架-剪力墙双重抗侧力体系柱计算长度系数研究

针对框架-剪力墙双重抗侧力体系,通过刚度特征值综合反映框架与剪力墙的侧向刚度,考察其对框架剪力分担率与屈曲荷载的影响。建立了高度为48 m、72 m、96 m和120 m四个计算模型,分别采用有限元法和简化方法计算结构的屈曲荷载与框架柱的计算长度系数。刚度特征值可以综合反映框架与剪力墙相对刚度以及结构高度的影响,特征刚度值越大,框架分担的剪力也随之增大。框架屈曲荷载修正系数γ可以用于定量表征框架受到剪力墙侧向支撑作用强弱的程度,γ随着结构高度增大迅速减小。当框架-剪力墙高度较大时,其框架部分的屈曲荷载可能低于相应纯框架的屈曲荷载,说明此时框架部分为剪力墙提供了侧向支撑。计算结果表明：对于纯框架,按结构标准层分段加载有限元分析得到柱的计算长度系数在各标准层范围内保持不变,且各标准层之间差异不大;基于同层柱相互支援的修正《钢结构设计标准》法,得到柱的计算长度系数与分段加载有限元分析的结果较为接近,两者误差为-9.5%～14.2%。框架-剪力墙柱的计算长度系数介于无侧移框架与有侧移框架之间;随着结构高度增大,其值与纯框架的计算结果逐渐接近;修正《钢结构设计标准》法得到的计算长度系数与分段加载...     

泰州大桥中间塔鞍座抗滑安全评估

在分析鞍座抗滑机理的基础上,建立了基于最大静摩擦系数的三塔悬索桥中间塔鞍座抗滑基本评估模型,并发展了多种鞍座抗滑评估方法。包括基于目前使用的设计规范评估鞍座抗滑安全的确定性方法;基于静态车辆数据合成随机车流,并利用Rice公式外推其荷载效应极值,进而研究鞍座抗滑安全性能的评估方法;以及基于车辆荷载效应和抗力概率模型的鞍座抗滑概率评估方法。用上述三种方法分别对泰州大桥鞍座抗滑安全性进行全面评估,表明泰州大桥中塔鞍座抗滑安全可靠。     

海上风力发电机组支撑结构动力特性分析

采用欧拉-伯努利梁模型来模拟海上风力发电机组的支撑结构,利用通用有限元软件ANSYS对机组支撑结构进行计算建模。在此基础上,分析了风力发电机组上端结构质量（风轮、机舱等）、整个机组重力以及海水对支撑结构固有频率的影响,并给出瞬态冲击下支撑结构的动力响应历程。计算结果表明,在计算海上风力发电机组支撑结构固有频率时应考虑上端结构质量的影响,可以不考虑重力的影响,而海水对高阶固有频率影响很大;在瞬态冲击下,上端结构质量使得支撑结构响应变得平缓。     

基于UDEC煤体深孔预裂控制爆破数值模拟研究

通过定义煤体爆破损伤本构模型,利用fish语言编写计算代码,选择高斯脉冲函数作为爆炸波输入动力荷载,设置静态边界条件和对称边界条件,划分有限差分网格,建立了UDEC煤体深孔预裂控制爆破损伤模型,分析了煤体中距炮孔不同距离处爆炸应力波传播规律以及煤体爆破损伤区的扩展过程。研究结果表明:煤体中爆炸应力波随径向裂隙的扩展呈非线性指数衰减;煤体爆破损伤的最大损伤半径为3 m,且炸药起爆至煤体损伤破坏时间很短,大约为5.11 ms;煤体深孔预裂控制爆破最优炮孔间距为6 m。     

超声速运行时管道列车激波特性分析

空气已经成为高速列车进一步提速的关键制约因素之一,为发展下一代更高速的交通运输系统,低真空管道和超高速列车结合的创新性交通运输系统构想得以提出和发展。本文建立管道列车二维计算模型,基于验证的网格和湍流模型开展超声速列车运行管道激波特性分析。结果表明：超声速列车运行时,列车前方激波以正激波形式形成壅塞区段向前推进;正激波位置随运行时间前移,压力激增的位置同步前移,但激波前后的压升比值基本不变;运行时间和运行马赫数影响壅塞区段长度;激波会在管道和列车车体之间以及尾流区域进行多次马赫反射形成激波串,随着运行时间的增长,管道车体之间激波减弱,车尾激波及反射激波强度增强。     

深水海底管道J型铺设的动态分析

针对典型海域目标深水海底管道,基于J型铺设方案,采用有限单元模型,开展深水海底管道J型铺设的初步动态铺设分析,校核最大冯米赛斯应力满足许用要求、最大动态顶部张力在现有深水铺管船能力范围内。