（化工过程机械专业论文）埋地管道弯头附近固定墩所受推力的有限元分析.pdf

摘要 铺设埋地热输管线时，由于管子下沟回填和工作时存在较大温差，所 以需要设置固定墩限制管道的热膨胀位移。 固定墩设计的关键是确定墩所受推力。本文全面分析了目前国内计算 固定墩所受推力的二种方法。关于固定墩推力的理论公式解法虽然较全面 地分析了墩受力情况，但计算复杂，很不适于工程应用；而工程中采用的 固定墩推力计算公式所依据的模型粗糙，与实际情况相差较大。 针对上述情况，本文采用有限元法分析埋地管道弯头附近固定墩的受 力情况，采用非线性弹簧模拟土壤对管道及固定墩的作用，建立了管道一土 一固定墩相互作用的力学模型。通过计算不同弯头夹角、弯头曲率半径、不 同土壤参数下管道的轴向内力，认为埋地管道与一般工艺管道的差别在于 土壤对其的弹性支撑。进行埋地管道及其固定墩受力情况分析时，必须考 虑土壤对它们的作用力。对所得计算结果分析后认为，本文所建有限元模 型是比较接近实际情况的。 在对不同管径、不同温差下墩所受推力进行比较时，吸取了原工程中 关于固定墩推力经验设计方法的合理部分，并拟合出一个墩受到的实际推 力与原工程上经验设计方法所得墩推力之间的二次蓝线关系式，对工程上 原有的固定墩所受推力计算提出修正建议，可为管道设计者提供有益的参 考。 关键词：油气输送；埋地管道；有限元；固定墩：强度分析 a b s tr a c t w h e nt h eb u r i e dt r a n s m i s s i o n p i p i n g i s b u i l t ，t h em a j o rt e m p e r a t u r e d i f f e r e n c eo fp i p i n g 拍e nb e i n gp l a c e da n dw h e nw o r k i n gm a k e si tn e c e s s a r yt o l a y af i x e da n c h o r a g es oa st o1 i m i tt h ee x p a n d i n gd i s p l a c e m e n t t h e k e yp o i n td e s i g n i n gaf i x e da n c h o r a g e ist od e t e r 糟i n ei t s p t l s h i n gf o r c e i nt h i sa r t i c l e 。t w ow a y sa r ec o m p r e h e l l s i v e l yr e v ie w e d o nc a l c u l a t i n gt h ef o r c e s t h et h e o r e t ic a lf o r m u l a t h o u g hh a v i n g a n a l y z e da 1 1t h ef o r c e sn ot h ea n c h o r a g e ，i st l n f i tf o re n g i n e e r i n g ： w h i l et h ea c t u a lf o r m u l ab e i n gu s e di ne n g i n e e r i n gisb a s e do nar o u g h m o d e l ，w h i c hd i f f e r sai o tf r o mt h er e a l i t y 。 h e r e ，a l t h o ra p p li e sf i n i t ee 1 e m e n tm e t h o d ( f e m ) t oa r i a l y z ea 1l t h ef o r c e so nt h ef i x e da n c h o r a g en e a rt h eb u r i e dp i p i n g se t b o wa n d t os i m u l a t ew i 镰u n t i n e a rs p r i n g st h es o i t se f f e c t so n p i p i n ga n d f i x e da n c h o r a g e st ob u i1 dam e c h a n icm o d e la b o u t p i p i n g s o il f i x e d a n c h o r a g e si n t e r a c t i o n b yc a i a u l a t i n gt h ea x i a li n t e r n a lf o r c e so f p i p i n gw i t h d i f f e r e n te l b o w si n c l u d e d a n g l e s ，e l b o w sc u r v a t u r e r a d i u sa n ds o i l p a r a m e t e r s ，a u t h o r c o n c l u d e st h a tt h e d i f f e r e n c e b e t w e e nt h eb u r i e dp i p i n ga n do t h e rt e c h n 0 1 0 9 i c a lp i p i n g1 i e si nt h o e l a s t i c s u p p o r tb y s o i l w h e na n a l y z i n gt h ef o r c e so nt h eb u r i e d p i p i n ga n d t h ef i x e d a n a h o r a g e s t h es o i l se f f e c th a 8t ob e c 。n s i d e r e d a f t e ra n a l y z i n gt h ec a l c u l a t i n gr e s u l t s c a ns a yt h ef e m m o d e lsa r ec l o s et ot h er e a l i t y w h e n c o m p a r i n gt h ep u s h i n gf o r c e su n d e rd i f f e r e n t p i p i n g d i a m e t e r sa n d t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n ，t h er e a s o n a b l e n e s si nt h e f o r m e r p r o j e c t sis r e m a i n e d ，t h eq u a d r a t i cc u r v e sb e t w e e na c t u a l p u s h i n g sa n de x p e r i e n t i a lp u s h i n g so na n c h o r a g e sa r ef ita n dt h e a m e n d m e n t so ft h ef o r m e rf o r m u l aa r e o f f e r e d ，w h i c hc a ng i v em a n y r e f e r e n c e st ot h ed e s i g n e r s k e yw o r d s ：o i ia n dg a st r a n s m i s s i o n ：b u r i e dp i p i n g ；f e m ：f i x e da n c h o r a g e i n t e n s i t ya n a l y s i s 埋地管道弯头附近固定墩所受推力的有限元分析 引言 问题的提出及其工程背景 埋地管道广泛应用于石油化工、城市燃气、供热等领域，在国民经济中 发挥着重要作用，因而被称为“生命线”工程。在石油、天然气输送过程 中，尤其是输油管道，为防止油品结蜡，堵塞管道，需要对油加热输送， 导致管道安装温度和使用温度间存在很大温差。弯头部分因温差应力产生 较大变形，甚至超出许用范围，直至破坏。为保证管线及邻近泵站的安全 运行，减小温差应力，工程上采用在弯头附近直管段设置固定墩的方法， 以限制管道热膨胀位移，保护弯头。 固定墩设计的关键是确定墩承受的推力。通过调研得知，目前国内计算 固定墩所受推力有两种途径： 1 采用崔孝秉的理论计算公式。虽然该公式较全面地分析了固定墩受力 情况，但其存在的明显缺点是：求解推力时涉及公式太多，计算复杂，很 不适于工程应用。 2 采用潘家华所推荐的公式计算。该法由于计算方便，简单实用，所以 被广泛应用于工程实际。但此设计方法颇为粗糙，主要存在的问题是： 1 ) 推荐的推力公式中没有考虑到弯头处土壤反力及沿管程的土壤摩擦 力，计算结果明显偏大； 2 ) 实际推力值虽然考虑了上述因素，折减系数按“经验”取计算值的三 分之一到二分之一；但此“经验”缺乏足够的理论依据，有可能偏大或偏 小，因而造成设计的不安全因素或材料的浪费。 基于上述问题，本文较全面地考虑了管道受力情况，利用有限元法建立 管道一土一固定墩相互作用的力学模型。通过模拟不同条件下管道和土的相 互作用，总结规律，对工程设计所依据的原有推力公式予以肯定，并拟合 出墩所受实际推力与工程上经验设计方法所得墩推力之间的二次关系衄 线，提出修正建议，可为管道设计者提供有益的参考。 埋地管道弯头附近固定墩所受推力的有限元分析 1 文献综述 1 1 固定墩推力计算依据的标准 固定墩设计的关键是计算出墩所承受的推力。目前，国内关于固定墩推力的计算有 两种途径：1 按照g b 5 0 2 5 3 - 9 4 输油管道工程设计规范及c e c s l 5 - 9 0 埋地输油输气钢管 道结构设计规范推荐的方法，采用华东石油学院锚固墩的推力和位移分析【3 】一文 中所介绍的公式；2 工程上大多采用潘家华推荐的公式，较第一种方法简便、易行。两 者分述如下。 1 2 关于崔孝秉的固定墩推力理论计算公式的推导 华东石油学院的崔孝秉较详细地分析固定墩的受力情况，并给出固定墩所受推力的 计算公式。具体推导如下： 固定墩受力简图 锚固墩a 。a 2 受力分析如图1 - 1 所示。a l ：与受锚区邻接的端面，称为前端；a ：和受 护区邻接的端面，称为后背。墩受到的载荷分为主动和被动两部分。主动载荷有只和只， 主要源于管道的热膨胀及内压力，通过a 。和a 2 两个端面作用到锚固墩上。另外，墩自重 及其上覆土重量在墩安装完毕后不再变化，且垂直向上，故末画出。被动载荷有锚固墩 因移动产生的后背土压反力r 和土壤对墩的摩擦力，。固定墩在上述载荷共同作用下发 生一定的位移，最终达到平衡状态。 受锚 受护区 r 图卜l 固定墩所受载荷 ( f i g 1 1 l o a d so nt h ef i x e da n c h o r a g e ) 1 2 1 固定墩前端所受管道推力 在远离前端a - 的锚固段上截取直管段o a - ，如图卜2 。因固定墩具有轴向位移甜。， 则在。屯管段靠近a 1 侧，产生一个“小过渡段”g a 。，此管段内各截面均有轴向位移，并 受土壤对管道的摩擦力作用。在o g 段管道被完全锚固，无轴向位移。 埋地管道弯头附近固定墩所受推力的有限元分析 _ l ”_ 一一兰一 碥 一i f 。1 一pr 且j o ljl ililiii 矗巫基匦 图卜2 直管段所受载荷 ( f i g 卜2l o a d so ns t r a i g h tp i p e ) 1 截面0 的轴向压力。 由管子在轴线方向上的锚固条件，得。为： n n 2 胡e f 一心睁 1 2 1 式中d ，e 一分别为材料的热膨胀系数、泊松比和弹性模量。对钢制管道 口= 1 2 1 0 5 1 。c ，= o 3 ，e = 2 1 1 0 5 m p a ； 丁一管道工作时和下沟回填时的温度差，6c ； f 一管道截面面积，f “2 n r t ，m 2 ： p ，f 一分别为管道内压、管道内外壁平均半径和壁厚，m p a ，m 。 1 2 - 1 式的基本假设为 4 1 ： 管道两端被嵌固且管子没有侧向位移，侧向完全被约束住。其计算模型如图卜3 。 爿掣笛省掣除 牙臀愚景茕r 民胃愚邢 图卜3 管道轴向应力计算模型 ( f i g 1 3m o d e lc a l c u l a t i n ga x i a ls t r e s so np i p i n g ) 2 关于轴向压力n 的讨论 管道实际受力情况是： 1 ) 埋设管线时，尤其是小口径钢管，不可能绝对是一条直线； 2 ) 土壤虽经夯实，但其约束力毕竟有限，所以管子不可能完全被嵌固。 公式i 2 - i 基本假设与实际隋况有出入，所以实际轴向压力并不等于该式所得计算 值。 2 埋地管道弯头附近固定墩所受推力的有限元分析 3 墩前端所受管道推力暑 由o a l 管段轴向受力平衡条件，可得只为 只= 口聊一旷竽一q l 式中g 一单位管长所受的土壤摩擦力，n m ； ，一小过渡段长度，待定，m 。 1 2 - 2 1 2 2 固定墩后背所受管道推力 假设弯头两臂情况对称，截取a 。b 段，其受力情况如图卜4 。沿管轴线方向的平衡 方程： r q t b n8 = 0 1 2 - 3 图卜4 弯头处管道所受载荷 ( f i g 1 4l o a d so np i p en e a rt h ee l b o w ) 1 弯头处b 端轴向压力n b 崔孝秉利用“弹性抗弯铰”假设给出了b 端轴向压力。的基本计算方法【”。在此基 础上考虑温升、内压、封头力及固定墩位移等因素，得： = 簧c 小卷一鲁+ 鲁+ 嘶 一a 式中f = 等铲旷丽1，七= 跞 。一弯头柔软系数，4 2 i ：南； 壤缝管道夸头群辛近固定墩所受推力静有限冠分析 。一簦定墩朝淘弯头翡辘懿位移，m ； j 一黪道截嚣毒虫惯性矩，jm 彤3 f ，群： c 一土壤对篱道的侧向压缩魇力系数，n 莳。 秽、f 一分裂为弯头夹焦秘壁厚，发，1 1 1 ； 2 墩后背册受管道推力忍 将。农达式带入公式1 2 - 3 中： b 2 击 t e f 7 1 一竽f 协2 p + 塾k e f ) 一舸z p + q 整理得： b 2 击【口珏+ ( n 5 + f ) q 一( f + 2 ) 彬2 p + u 如“e f l - 2 _ 5 1 2 。3 固态墩后背所受土壤压缩致力 1 士壤对墩后营的被动土压力马 当一定尺寸和黧量的躐定墩，以一定深度埋入土壤类裂定的中，其所受壤侧 向力即确定。斥慎的大小取决于土体对墩的静摩擦力，和对墩后背的被动土压力b 。 较为可靠靛，帮乓毽，必绥配舍试验添褥。鲡无试验数据可敬主壤对澈的激大静鬻撩力 1 6 圾镳保守麴只近似计算公式： 只= 譬 ：搿) t a n 。( 4 5 + 要) 1 2 6 式中h ，h ，b 一分别为固定墩底面墁深、顶预埋深和墩的宽度，m ； 芦、一分澍舞土壤瓣容重懿蠹摩擦角，夥辩，度；参凳图1 - 5 。 国内外些试骏研究结果表明，1 2 _ 6 式所得计算值比试验中的实测值低1 7 1 f ”。在 o v e s e n 懿文献孛潮琵较系绫篷奔绣了途下镶嗣板被动燕豹试验磷究成聚，以及较为留 合实际的设计计算方法，w 供参考。 4 埋地管道弯头附近固定墩所受推力的有限元分析 圈。静幢。斜 图1 5 固定墩尺寸及晶一“。关系 ( f i g 卜5s i z eo ff i x e da n c h o r a g e a n d 最一“h d i a g r a m ) 2 锚固墩后背土压的弹性模数p 后背土压弹性模数反映了土壤的抗压缩能力，一般由试验测得较为可靠。在无实测 数据时可采用下式9 1 ( 参见图卜5 ) 近似取为： 一p d 8 2 石麓万( 松土) ，或e 2 石责篱( 密土) 1 2 7 3 墩后背土壤压缩反力足 。 晶值和固定墩朝向弯头的轴向位移甜。近似成正比，通常取为： b = p “ 1 2 - 8 1 2 4 过渡段长度和墩轴向位移的确定 1 固定墩轴向位移z ，。 参见图l l ，卜2 ，因o a - 管段的a 1 端和固定墩联接在一起，故a 。端的位移即固定墩 的位移( 这里忽略固定墩本身的弹性位移) 。而o g 段被锚固，所以a 。端的位移即g a 。的 伸长量。由变形协调条件和固定墩受力平衡关系，得： u 。= ，如出= 仁，【订一丛t 一面n x 】出 i 2 - 9 式中以= 0 一g o + f 一) = c t t e f 一旷孚一g ( x + ，一三) ，( 参见图1 2 ) “。= j ：l 一，瓦1g ( x + 1 - l ) d x = 备啦+ 圭x 2 】：一， 墁地管谨弯燕驸瓣西定墩群鼙接力的寄曝元分耩 t 。2 。2 e f 2 。避涟段嵌爱z 褥霾定墩平饔条秘帮帮。表达式鼗立，瓣下_ 瑟方疆缓： r 霹一马= 乓+ ， i 铲筹 整理褥关予；豹= 次方程： 面q 附- 盘“州t e f + ( 1 毛加2 咖筹热小。 辫憩方毽，会去受燕，褥： # = 【 l ，2 一1 0 l ；2 - i l l 】卫掣 0 + o l b e q - e f 令难。卜筵一】。：l + 垒挲，q ；a t e f + ( | 一2 涉。，褥z 残达式 ( 1 + g 磁e + e f “ z = 学c 压鬲磊尹晋而叫 姗啦 蠢努长度，冀表达式癍满跫嘏号凑数灌大予零， 瓢 ，i + - 毛q 一筹编 1 , 2 - 1 3 罄怒爨j 惫羧涮祭搏，鬟敬1 = 0 ( 强怒墩季劾) 。筵辩，主壤对凑豹壤擦力等予警道慧 攘力。式中，q 僮蠢特定爨义，代表镪瑟豢管鑫交端辩墩掰受虢管道维力。 2 。謦遽髂溺予疆楚鼗静慧攘力 管遴对豳定墩的总推力p 斑是墩靛遴魏盛鼗囊爱管遵接力之差，鄄 p = 置一置 s 1 2 1 4 埋地管道弯头附近固定墩所受推力的有限元分析 尸- 口肼一p f r f 叫一击陋册十口等“0 5 k _ ( 2 a 矿， 式中卢孚f 。卢竽2 州= 2 。n r 2 p 再将，”。及q 的表达式代入p 表达式中，则 肚南q 一等小卵+ 志， 由1 1 a = 竺2 e f 得k 孕玳址东 尸= 南q 一筹妒c 筝+ 裟静 尸2 南纠器+ 皿丽一等如 1 2 - 1 5 p 即为固定墩所受推力。该式表明：固定墩用于保护弯头时，墩受到的管道总推力p 总小于锚死直管自由端时所需承受的推力q 。 1 2 6 关于崔孝秉的理论计算公式的讨论 1 由推力尸的计算公式可见，管道对固定墩的推力大小与弯头夹角口、土壤性质、 固定墩位移甜。有较大关系。 2 计算只时假设土壤完全嵌固管子。实际上，土壤本身是可以压缩的，它对管子的 作用相当于一个弹簧；尤其是弯头部分产生热胀位移时，土壤对弯头的反力可减少一部 分推力值。若采用上述公式计算时，还应将弯头处土壤的弹性作用考虑在内。 3 从公式的推导过程可以发现，虽然该公式对固定墩受力进行了较全面地分析，与 实际情况比较接近。但其缺点也是显而易见的：公式涉及参数过多，计算复杂，很不适 于工程应用。工程实际中采用的潘家华推荐的固定墩推力计算公式，较第一种方法简便、 易行。 7 埋地管道弯头附近固定墩所受推力的有限元分析 1 3 工程所依据的固定墩推力计算公式 1 3 1 潘家华推荐的推力计算公式 工程上计算固定墩推力的依据是按照潘家华推荐的公式h i ，( 力学模型如图1 - 6 所示) 即： f = a 。( e a a t 一盯。+ 05 0 r 。) 1 3 一l 式中爿。钢管截面积，m z ； ，温差，6 c ； o - ，一管道周向应力，m p a 。 公式1 3 - 1 所得计算推力值，因没有考虑土壤对管道变形的限制作用而比实际值大。 实际工程设计时，是根据工程人员的工作经验取计算推力值的三分之一到二分之一作为 实际固定墩推力。 图1 - 6 弯头附近固定墩所受载荷 ( f i g 1 - 6l o a d so nf i x e da n c h o r a g en e a re l b o w ) 1 3 2 关于潘家华所推荐公式的讨论 分析图卜6 ，可以看出，此方法依据的力学模型颇为粗糙，主要问题有： 1 推荐公式中没有考虑弯头处土壤反力和沿管程的土壤摩擦力，公式计算值必然比 实际值大因此工程上根据经验取其三分之一到二分之一作为设计推力 2 实际设计推力虽然按“经验”将其折减，但此“经验”缺乏足够的理论依据，可能 偏大或偏小，造成运行不安全因素或材料的浪费 3 与崔孝秉的理论计算公式相比，其形式简单，便于应用，多年的使用实践也证实 它是基本上安全可行的。 1 4 埋地管线内力计算的有限元法 蔡强康、吕英民【”】利用有限元法计算埋地热输管线的内力和应力，并分析了参数变 化对内力和应力的影响。在其计算模型中，认为对于弯管两侧有较长直管的管线，总可 埋地管道弯头附近固定墩所受推力的有限元分析 以把它分解为两端完全固定、具有临界长度直管的r 型管线和嵌固状态的直管来进行内 力分析。这和崔孝秉将靠近固定墩的受锚区管段划分为过渡段和完全锚固段的分析是一 致的。 以一个具有一定边界条件的r 型管线为算例。管线所受摩擦力和变形情况见图卜7 。 主要参数：i 0 2 0 、直管壁厚1 6 r a m ，弯管壁厚1 8 r a m ，管线温升为5 59 c 。管线因热胀和 内压作用向侧向移动时受土壤侧向压力( 图卜7 中未画) 。此模型假设单位管长的土壤 侧向压力与管线侧向位移v 成正比，即： 一c v 1 4 - t 式中c 一土壤侧向压缩反力系数，n7 m 3 ；负号表示力与位移方向相反。 沙 烈面赣岳。掣掣备中间截面 图卜7r 型管线所受摩擦力和变形 ( f i g 1 7d e f l e c t i o na n df r i c t i o no nfp i p i n 9 1 1 4 1 管线的有限元模型 r 型管线是一个平面刚架结构，被离散为5 0 个梁单元。管线的单元划分如图卜8 。 弯管等分为1 0 个单元，两侧直管各分为2 0 个单元。为减少计算的舍入误差，直管单元 长度逐渐增加。节点号：l ，2 ，5 1 ；单元编号：1 - 5 0 ( 图中外加圆圈的数字) 。 0 图卜8f 型管线的单元划分 ( f i g 卜8e l e m e n td i v i s i o nf o rfp i p i n g ) 1 4 2 整体坐标系和局部坐标系的建立 图卜8 中，x o y ：整体坐标系，x 轴沿弯管左侧直管指向右。坐标变换时，规定整体 坐标系的x 轴正向至每一局部坐标系的x 。轴正向间的夹角，逆时针方向旋转为正。附属 于每个单元的局部坐标系原点取在单元的左节点上，x 。轴与该单元的轴线重合，指向右 或右上方；y 。轴的正向按右手规则确定。则 埋地管道弯头附近固定墩所受推力的有限元分析 口1 = 口2 = = 口2 0 = o ，口2 1 = i l l 2 0 ，口2 2 = 3 p 2 0 ，口3 0 = 1 9 f l 2 0 ， 口3 1 = 口3 2 = - = a 5 0 = p 1 4 3 单元刚度矩阵 不计轴向力对弯曲的影响，并考虑弯管单元的柔性有所增加，第e 单元的刚度矩阵 为： 对于直管单元，k = l 。弯管柔性系数后为 七：堡：坐竺 i i 1 1 2 1 3 1l _ 4 3= “l j 兄 r ? ； 式中尺一弯头曲率半径； t 一弯头壁厚； ，一管道内外壁平均半径。 比较式l4 - 3 和1 2 4 中所用弯头柔软系数厶公式，可见，式i 4 - 3 忽略了管道 内压的作用，因而该有限元模型未加内压载荷。一般对于口 o ) ，a 。 取很大的值( 如1 0 8 k n m ) ，当接触面已拉开时( 盯。0 ) ，a 。取很小的值( 如1 0 0 k n m ) 。 图1 - 1 4 接触面上剪应力一位移的理想弹塑性曲线 ( f i g 卜1 4i d e a le l a s t o p l a s t i cc u r v eo fs h e a rs t r e s s d e f l e c t i o no ni n t e r f a c e ) ff 接触单元的应力可根据节点力求，r 2 等，吒21 砉。l 是该节点所控制的接触面长 度，参见图1 - 1 3 。 1 7 2 桩土界面传递函数法 桩土界面摩擦函数法是用于分析桩土载荷传递这一特定问题的一类接触面模型，由 s e e d 和r e e s e “1 在1 9 5 7 年首先提出。 此方法的基本原理是把桩分为许多弹性单元，每一单元与土体之间用非线性弹簧联 系( 图1 - 1 5 ) ，模拟桩一土间载荷传递关系。桩端处的土也用非线性弹簧与桩端联系，这 些非线性弹簧的应力一应变关系，即表示桩侧摩阻力f ( 或桩端抗力盯) 与剪切位移s 间 的关系，称为传递函数。 1 7 聋 埋地管道弯头附近固定墩所受推力的有限元分析 传递函数基本微分方程为 窘一老e 心， 出2爿、7 式中4 、4 一分别为桩的截面积和桩体弹性模量 u 槛截面周长。 1 7 - 2 图卜1 5 桩土模型的载荷传递关系 ( f i g 卜1 5 l o a dt r a n s m i s s i o no fp i l e s o i lm o d e l ) 根据求解微分方程的途径不同，分为解析法和位移协调法。前者把传递函数简化假 定为某曲线方程，然后直接求解平衡微分方程；后者用实测或试验方法得到传递函数， 然后建立各单元桩的静力平衡及位移协调条件求解。 关于传递函数的形式有很多种，这里不一一介绍。传递函数法因假定桩侧任何点的 位移只与该点上的摩阻力有关，而与其他点的应力情况无关，即忽视了土的连续性，所 以在理论上不完善。要使传递函数法应用于实际，关键是如何取得符合实际的传递函数， 即f s 关系曲线。 1 8 小结 1 本章主要阐述了论文研究的理论基础；工程上固定墩推力计算所依据的公式，并 分析了各公式推导所依据的假设条件的局限性，为进一步分析并建立有限元方法下的固 定墩推力模型打下了基础。 2 由于埋地管道的特殊性，土壤对管道、固定墩的作用力不可忽视。本章较详细地 阐述了常用土壤模型及土壤和结构相互作用的界面模型。 3 鉴于上述模型的适用条件，与本论文所讨论模型的可比性，以及在有限元分析技 术上的可行性，本论文决定采用桩土界面摩擦函数法分析管一土一墩相互作用系统。其中 土壤中桩侧( 管侧) 任意点的位移与该点摩擦力间关系，即实际土样承载力数据，限于实 验条件，采用中国海洋石油天然气行业标准：s y t1 0 0 0 9 - 1 9 9 6 ”l 中的土壤数据计算， 而该数据是建立在a p ip r 2 a - l r f d t ”j 的基础上的( 参见图卜1 6 ，卜1 7 ) 。 埋地管道弯头附避固定墩所鼙推力的宥限元分析 】，0 习，s 0 ，鑫 3 o 。0 啻 f h 。等， 障 宅荔荔南缪 v ， ! n 飞丕雯绻霉蟹烘 l 啪缉嚣，辛“ h 。 罗 o ，。1氟0 # 0 甜0 铡 # ，d 攀： a 饥：乱2e ，3 o 4 # x 0 。3 0 3 1 6 盼) ：礁老) 图1 - 1 6 典型桩的轴向载荷一位移曲线 ( f i g 。1 - 1 6a x i a l1 0 a d d i s p l a c e m e n tc u r v e ( t z ) o ft y p i c a lp i l e ) 蕾i f as o f t 蕊 量 瑟气 罨 羔 x 盏- 畿 馥 q 扩埘吼鱼t ，。，“妒 旨 卜 妒弋 ，* “r 砖 $ 0 0 批 a 软粘土 a d h e s i v es o il ) 罐i 脚tj b 且i ， ，i s ，蛾 挺囊f x 谯 档拿( 蛀 b 硬粘 ( bh a r da d h e s i v es o i l ) 圈l 1 7 典黧桩静铡向土抗力一位移( p y ) 曲线 ( f i g 。1 - 1 7l a t e r a ls o i lr e s i s t a n c e d i s p l a c e m e n tc u r v e ( p y ) o ft y p i c a lp i l e ) 1 9 鹱琏管道弯燕辩近盈盘墩所受撵力瓣有壤蔸分析 2 管道一固定墩一相互作用熬力学模型 2 。1 管道一固定墩一土栩互作用体系受力分横 2 ，1 1 土壤( 地基) 的简化模型及摸作用力分析 适蘑予不圈游况懿壤反力计雾模羹，在第一章孛邑考奔绍。铮对本文讨论鹃工程 问题，考虑到土壤本身为气、液、固三相体，土体一般具有各向辨性和体积可压缩性， 它对上部续构的作雳摆当予一个弹簧，因她，地基采用非线性弹簧模型更接近实隧。非 线性弹簧剐度应采糟现场实测数据最为理怨。限予条件，本文参考海上嗣定平台规戈l 、 设计和建造的推荐作法载荷和抗力系数设计法( l r f d ) 中第g 章：基础设计l l 9 l 及a p ir p2 a - l r f d 捌提揆戆壤参数计算其承载力窝瀣糖彝的黪擦力。主壤对繁遂蟊 固定墩的作用力主要分为土壤对管道的侧向压缩反力，固定墩后背处土壤压缩反力和当 管道、固定墩在温差力作用下产生轴向位移时沿管道和固定墩轴线的摩擦力。因此本文 建立魏图2 - t 所累管遂及澈受力穰鳖。甏串弹簧袭示土壤薅管道饔墩静 肇瑟( 注：其余 节点上施加弹簧情况同节点i ) 。 节点i l 遣赢方向 图2 一l 管道及固定墩受力模型 f i g ，2 - lm e c h a n i c a lm o d e lo fp i p i n ga n df i x e da n c h o r a g e ) 2 1 2 埋地管道煮限元分析的工耀实例 本文采雳戳上模型对不露营投及弯头瓣远霞定墩箍力遴锷了大量诗舞，淤涩一宁一兰 管线内一段油气并输管道为例进舒有限元分析。该管线的设计压力为6 4 m p a ，管线温度 爵蜀为3 + e 。譬耪采翅x 5 2 钢，麓搀： 妒3 5 5 6 6 4 。壁洋7 。i m m 。该警线采矮黪嚣定 墩设计推力为3 0 吨，固定墩尺寸：2 x3 1 4 一，墩顶埋深o 7 8 m 。固定嫩距弯头1 2 m 。 舔程遗区主蕨：软稽篷圭屡，珞港骖；童壤客重y = 1 7 ，5 勰蠢，主壤蠹摩擦角= 3 0 。 土壤和固定墩之间的摩擦系数为0 6 。 2 1 s 埋地管道受力分析 油气镣道一般处于冻土层以下、地下水位以上，管顶覆土范围1 2 米左右”1 。正常 运行时管遴受到的力有：蠢压产生豹轴离、环商疯力，溢度交纯弓| 麓静溢差应力，以及 埋地管道弯头附近周定墩所受推力的有限元分析 土壤对管道的约束反力。其中，内压和温差共同引起的轴向应力a 。为2 ”： 口= 盯 + e c r ( t 1 一t 2 ) 2 1 一l 其中，温差应力占较大比重。本算例的温差应力为 盯= e a ( t l f 2 ) = 21 1 0 “x 1 2