埋地燃气管道受力模型与实验分析

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1、第３０卷第１２期煤气与热力Ｖｏｌ．３０Ｎｏ．１２２０１０年１２月ＧＡＳ＆ＨＥＡＴＤｅｃ．２０１０埋地燃气管道受力模型与实验分析１２３陶志钧，周伟国，潘新新（１．上海煤气第二管线工程有限公司，上海２００１２２；２．同济大学机械工程学院，上海２０００９２；３．上海核工程研究设计院，上海２００２３３）摘要：分析了埋地燃气管道的受力特性，建立了有限元分析模型，通过实验对计算结果进行了验证。利用有限元模型可以有效地进行埋地燃气管道受力分析。关键词：埋地燃气管道；受力分析；有限元模型；实验分析中图分类号：ＴＵ９９６文

2、献标识码：Ａ文章编号：１０００－４４１６（２０１０）１２－０Ａ３９－０４ＦｏｒｃｅＭｏｄｅｌａｎｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＢｕｒｉｅｄＧａｓＰｉｐｅｌｉｎｅＴＡＯＺｈｉｊｕｎ，ＺＨＯＵＷｅｉｇｕｏ，ＰＡＮＸｉｎｘｉｎＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｆｏｒｃｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｂｕｒｉｅｄｇａｓｐｉｐｅｌｉｎｅａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ，ａｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｉｓｖｅｒｉｆ

3、ｉｅｄｂｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅｆｏｒｃｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｂｕｒｉｅｄｇａｓｐｉｐｅｌｉｎｅｃａｎｂｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｐｅｒｆｏｒｍｅｄｂｙｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｕｒｉｅｄｇａｓｐｉｐｅｌｉｎｅ；ｆｏｒｃｅａｎａｌｙｓｉｓ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎａｌｙｓｉｓ城市地下管网复杂，各类管道纵横交错。有些道的受力情况时，必须把管道周围一定范围内的土场所进行燃气管道敷设时由于各种原因无法满足规体作为结构的一部分加

4、以考虑。按结构力学观点，［１］定的埋设深度要求。因此，《城镇燃气设计规范》管道与管周土壤介质构成了一个异性体的超静定结ＧＢ５００２８—２００６第６．３．４条中注明“当不能满足上构体系，该体系一般称为管土相互作用体系。［２］述规定时，应采取有效的安全防护措施。”在实际在管土相互作用体系内，由于管道与土壤的相燃气管道施工中一般根据经验采取相应的浅埋保护对刚度不同，它们在外荷载作用下，管道与土体之间措施，至于效果如何，是否达到要求，不是很清楚。从作用力的关系来看，将发生主动力（外荷载）与被本文建立有限元分析模型

5、，对在采取防护措施情况动力（如土壤抗力）之间的相互作用；从位移关系来下的埋地燃气管道受力情况进行分析，并结合实验看，变形的管道与受挤压的土体之间存在相互制约分析，验证模型的可靠性，以指导实际工程。与变形协调。作用力大小与位移量同时消长，其结１埋地管道与土体的相互作用果将导致作用于管周的径向土压力集度由初始阶段埋地燃气管道在回填土垂直压力和地面荷载作的极不均匀状态逐渐演变到较均匀状态，这就是沿用下，由于管道刚度较小，管道断面将失去正圆形状管周的土压力重分布。而呈扁平的椭圆环。这时由于管道左右侧壁外凸，２埋地

6、管道受力有限元分析模型挤压土体，产生了土体对管壁的弹性抗力。由于该在燃气输配系统中主要采用钢管、ＰＥ管等柔性抗力指向管道中心，它能促使管壳向正圆恢复的趋管材，管道与土体之间的相互作用不能忽略。在分势，以弥补管壳刚度的不足。析管土相互作用时，常把土壤看成是均质的、各向同管周土体既是作用在管道上的荷载，又是管道性的线性变形体，从而可以运用弹性力学理论进行在其中发生变形的一种介质。因此，在研究埋地管分析。一般将地基当作半无限空间弹性体来考虑，·Ａ３９·第３０卷第１２期煤气与热力ｗｗｗ．ｗａｔｅｒｇａｓｈｅａｔ．

7、ｃｏｍ即把地基看作是一个具有水平界面、深度和广度都无限大的空间弹性体。运用弹性力学理论分析计算管道受力的主要问题在于求解偏微分方程的复杂性，而采用有限元分［３］析方法就容易得多。有限元分析法的基本思想是运用离散化的概念，把弹性连续体分割成数目有限的单元，并认为相邻单元之间仅在节点处相连，单元间的相互作用力仅由节点传递，用单元节点位移表示单元中的应变和应力。在利用有限元法进行埋地燃气管道受力分析时，需要将实际模型转换成有限元模型，这些模型包图１埋地管道的几何分析模型括几何模型、回填土模型、单元模型、约束模型

8、以及管道土压力计算问题。因此，土压力计算与管土相接触模型。互作用问题是埋地管道受力分析的基础。马斯顿模①几何模型型是最早的管道土压力计算模型，对后来的管道土实际埋地管道模型有３层和４层两种。３层管压力计算理论具有深远的影响，目前许多管道土压道模型：面层、基层和地基层。面层为原状土或者路力计算模型仍以此为基础。面混凝土，基层为埋管周围回填土，地基层的土壤性③单元模型质由现场环境决定。４层管道模型：面层、防护层、在用有限元法对管道