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直埋敷设供热弯管的地震响应分析

作　者: 赵一鸣
导　师: 汤爱平
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 岩土工程
关键词: 直埋式供热管道供热弯管地震响应数值模拟
分类号: TU833.12
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着我国的综合国力不断提升，城镇居民生活水平大幅提高，作为惠及民生的城镇供热工程事业，得到前所未有的发展。我国幅员辽阔，大地震频发，近5年来，供热管道抗震性能问题逐渐引起了设计研究人员的重视。埋地管道的抗震性能研究已经发展了近四十余年，但针对供热管道的研究却不多见。城市供热管网往往设置了大量转向弯头，对于有补偿的供热管网，需设置额外的弯管补偿装置，根据埋地供水和输油管线的历史震害特点，弯头是管道系统地震易损性最大的部位，因此供热管道系统的地震危险性较一般管道系统会更高。为了降低城镇供热管网地震作用下下的危险性，开展供热管道系统的地震反应机理的研究是非常必要的。本文利用数值分析手段，采用了壳体-等效弹簧模型，对直埋式供热弯管在地震波动作用下的响应规律进行了研究，主要研究内容包括以下几个方面：（1）归纳了以往埋地管道抗震性能研究的理论方法和成果，对埋地管道在历次震害中的破坏规律及特征进行了阐述，指出直埋式供热管道自身特有的受力特征及设计构造形式，同时对本文研究方法和理论基础进行了详细的介绍。（2）阐述了利用有限元分析软件建立模型的方法，详细介绍了所用单元特性，模型特征、管材及弹簧参数取用、荷载施加，采用了基于位移的地震动输入方法，最后将计算所得的稳态热分析结果与解析结果相对比，得到了较好的结果，验证了模型的可靠性。（3）对DN200供热弯管进行了精细化分析，研究了其初始应力和地震作用下的响应特征，结果表明初始应力在弯头部位产生了应力集中；在地震作用下的峰值应力也出现在弯头处，直管弯臂在地震作用下会发生热胀变形释放的现象，该现象削弱了弯臂的地震反应，但对弯头产生了不利影响。（4）通过模拟相关工况，分析了供热弯管的地震响应与管道直径、弯曲曲率半径、升温区间、地震动水平入射方向、轴向等效弹簧刚度系数及输入地震动峰值加速度变化之间的关系，结果表明，随着管径或弯曲半径的增大，弯管的地震响应均呈下降趋势，但随弯曲半径的增加下降更加明显，说明增大弯曲半径能够有效降低弯管的地震响应。弯管会随着轴向等效弹簧刚度Ks的增大响应更加强烈。当升温区间变大时，供热弯管位置的初始应力、地震引起的应力增量、地震应力幅值均随温度区间的扩大而升高，同时随着温度变化幅度增加，弯臂在地震作用下的热胀变形释放现象对弯头响应的不利影响也随之加强。整个管线都随着地震动响应会随地震峰值加速度的增大而更为强烈。地震动水平入射方向与未设置固定装置的直管弯臂相垂直时，供热弯头响应最大。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-18
  1.1 课题研究背景  10-13
    1.1.1 城镇集中供热发展概述  10-11
    1.1.2 供热管道抗震研究现状  11-12
    1.1.3 埋地管道震害特征  12-13
  1.2 埋地生命线系统抗震理论研究概述  13-17
    1.2.1 理论模型研究  14-16
    1.2.2 实验模型研究  16-17
  1.3 课题的主要研究内容  17-18
第2章直埋式供热管道的计算理论  18-30
  2.1 直埋敷设供热管道简介  18-22
    2.1.1 直埋供热管道构造  18-19
    2.1.2 供热管道与土体的相互作用  19-20
    2.1.3 直埋供热管道热补偿方式  20-22
  2.2 直埋敷设供热管道荷载类型  22-23
    2.2.1 力荷载  22-23
    2.2.2 位移荷载  23
  2.3 供热管线抗震分析中的失效判断  23-25
    2.3.1 强度失效准则  23-24
    2.3.2 延性失效准则  24-25
  2.4 一般埋地管道数值模型比对  25-27
    2.4.1 弹性地基梁模型  25-26
    2.4.2 实体非线性接触模型  26
    2.4.3 壳体-等效弹簧模型  26-27
  2.5 数值分析方法及 ANSYS 简介  27-28
  2.6 本章小结  28-30
第3章数值试验模型及结果分析  30-59
  3.1 供热弯管数值模型的建立  30-33
    3.1.1 有限单元的选用  30-31
    3.1.2 材料模型选用  31-32
    3.1.3 管材许用应力  32-33
  3.2 等效土弹簧刚度系数确定  33-38
    3.2.1 等效弹簧系数相关研究  33-34
    3.2.2 中外相关规范取值  34-38
  3.3 计算模型选取  38-39
  3.4 直埋管道荷载选取  39-45
    3.4.1 静力荷载输入  40-42
    3.4.2 动力荷载输入  42-45
  3.5 模型验证  45-49
    3.5.1 弹性抗弯铰解析法  45-47
    3.5.2 数值计算结果比对  47-49
  3.6 供热弯管初始应力分析  49-53
    3.6.1 数值结果分析  49-51
    3.6.2 初始应力随管径变化规律  51-53
    3.6.3 初始应力随弯头曲率半径变化规律  53
  3.7 供热弯管地震反应一般性分析  53-58
  3.8 本章小结  58-59
第4章供热弯管响应影响因素分析  59-78
  4.1 管径的影响  59-62
  4.2 轴向等效弹簧刚度的影响  62-65
  4.3 温度作用的影响  65-68
  4.4 弯曲曲率半径的影响  68-71
  4.5 地震峰值加速度的影响  71-75
  4.6 地震水平入射方向性影响  75-77
  4.7 本章小结  77-78
结论与展望  78-80
参考文献  80-85
致谢  85

直埋敷设供热弯管的地震响应分析

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