跨断层埋地管道地震反应分析及应变设计方法研究

发布时间：2017-08-19 15:35

  本文关键词：跨断层埋地管道地震反应分析及应变设计方法研究

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【摘要】：我国的长输管线大多建设在地质环境恶劣的地区,而穿越活动断层带是最为常见的恶劣工况,因此埋地管线的抗震设计技术尤为重要。跨断层作用下埋地管道的破坏机理、断层错动反应分析以及断层管道的抗震设计方法都是迫切需要研究的课题。本文通过文献调研和震害资料分析,基于非线性分析理论和管道地震反应理论,采用数值模拟仿真计算等方法进行跨断层埋地管道地震反应研究,分析埋地管道在断层作用下的力学特性,提出基于应变设计的指导方法,为埋地管线的抗震设计提供理论参考。论文的主要研究内容及成果包括以下几个方面：(1)通过文献调研及理论研究,分析了埋地管道在断层错动作用下的失效模式和破坏机理,通过跨断层埋地管道地震反应影响因素的研究,总结划分为断层性质、管道材料、埋置方式和场地条件四个方面。研究了不同的跨断层埋地管道理论分析方法,为论文奠定理论基础和方法。(2)以走滑断层为研究对象,采用ABAQUS仿真分析软件,建立了跨断层埋地管道有限元分析模型,管道模型选择壳单元,土体模型选择C3D8实体单元。通过模型试算,确定物理模型尺寸为50m×10m×10m。建立管-土非线性接触模型,管、土材料模型分别选择三折线模型和Mohr-Coulomb模型。采用模型剖分和网格加密的方式进行网格划分,以提高模型计算精度。根据土体场地条件、断层错动的运动特征以及管道性能等因素,设置合理的模型边界条件和力学载荷。通过工程实例计算以及采用解析法对比计算,进行有限元模型的可靠性验证。(3)基于所建的跨断层埋地管道有限元分析模型,考虑断层位移、壁厚、内压、埋深、夹角、径厚比、回填土、管材8个影响因素,采用数值模拟分析的方法,控制8组因素变量,设定不同参数取值,计算了47种不同工况。探讨埋地管道在断层错动作用下的变形反应,分析不同断层位移下管道的变形规律,基于对应力、应变沿管轴方向分布的研究,确定了管道潜在破坏位置。通过应力、应变云图以及管道的力学特性曲线,系统分析了不同因素作用下跨断层埋地管道的地震反应,得出不同因素对埋地管道断层错动反应的影响规律。(4)针对基于应变的管道设计方法,采用有限元手段,研究管道设计应变的确定方法。根据不同因素对跨断层埋地管道的影响规律,提出可提高管道设计应变的指导方法。研究基于应变设计与基于应力设计方法的区别和适用范围,给出跨断层埋地管道应变设计的准则及方法。基于本文有限元分析模型,选取不同因素变量对应下的部分管道工况,模拟计算相应管道工况在不同断层位移下的最大应变,分析不同影响因素对管道极限应变的作用规律。最后针对跨断层埋地管道的应变设计,给出22种不同特定管道工况下的极限应变值,可为实际工程管道的设计提供数值参考。
【关键词】：断层 埋地管道 断层错动 非线性分析 应变设计
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE973
【目录】：

• 摘要3-4
• abstract4-10
• 第1章 绪论10-23
• 1.1 研究背景及选题依据10-11
• 1.2 研究的必要性及意义11-12
• 1.3 国内外研究现状12-20
• 1.3.1 埋地管线地震反应分析方法研究现状12-14
• 1.3.2 跨断层管道管-土作用模型研究现状14-17
• 1.3.3 跨断层管道地震反应影响因素研究现状17-18
• 1.3.4 管道基于应变的设计方法研究现状18-20
• 1.4 研究目标与内容20-21
• 1.5 研究方法及技术路线21-23
• 1.5.1 研究方法21-22
• 1.5.2 研究技术路线22-23
• 第2章 跨断层埋地管道地震反应理论研究23-42
• 2.1 断层类型及破坏机理23-26
• 2.1.1 断层类型23-24
• 2.1.2 管道失效模式24-25
• 2.1.3 断层作用破坏机理25-26
• 2.2 跨断层埋地管道破坏的影响因素分析26-28
• 2.2.1 断层特性26
• 2.2.2 地震及场地26-27
• 2.2.3 管道特性27
• 2.2.4 土壤的地质条件27
• 2.2.5 其它影响因素27-28
• 2.3 跨断层埋地管道抗震分析理论28-34
• 2.3.1 静力理论28-30
• 2.3.2 弹性地基梁理论30-31
• 2.3.3 壳体理论31-32
• 2.3.4 非线性摩擦理论32
• 2.3.5 Von-Mises屈服准则32-34
• 2.4 跨断层埋地管道理论分析方法34-41
• 2.4.1 Newmark-Hall分析方法34-35
• 2.4.2 Kennedy分析方法35-36
• 2.4.3 梁理论方法36-37
• 2.4.4 有限元分析方法37-39
• 2.4.5 抗震规范的理论计算方法39-41
• 2.5 本章小结41-42
• 第3章 跨断层埋地管道有限元分析模型42-66
• 3.1 有限元分析基本理论42-46
• 3.1.1 有限元分析方法42-43
• 3.1.2 非线性分析理论43-44
• 3.1.3 应力应变空间44
• 3.1.4 管道应力应变关系44-45
• 3.1.5 数值模拟计算步骤45-46
• 3.2 管-土物理模型46-48
• 3.2.1 单元选择46
• 3.2.2 物理模型确定46-48
• 3.3 管-土非线性分析48-52
• 3.3.1 管材本构模型48
• 3.3.2 土体本构模型48-51
• 3.3.3 管-土非线性接触51-52
• 3.4 管-土有限元模型的建立52-58
• 3.4.1 模型假设条件52
• 3.4.2 管道有限元模型的建立52-53
• 3.4.3 管-土非线性模型的建立53-54
• 3.4.4 管-土作用有限元分析过程54
• 3.4.5 网格划分54-55
• 3.4.6 边界条件约束55-56
• 3.4.7 载荷的施加56-58
• 3.5 有限元后处理分析58-59
• 3.5.1 有限元结果的提取58
• 3.5.2 数值模拟数据处理58-59
• 3.5.3 工程实践的运用59
• 3.6 实例计算和模型验证59-64
• 3.6.1 工程实例计算59-61
• 3.6.2 模型可靠性验证61-64
• 3.7 本章小结64-66
• 第4章 跨断层埋地管道数值模拟分析66-105
• 4.1 参数选取及界定66-69
• 4.1.1 模型参数的选取66-67
• 4.1.2 影响因素的取值界定67-69
• 4.2 断层错动位移下管道力学特性分析69-78
• 4.2.1 计算结果云图分析69-73
• 4.2.2 管道的变形反应分析73-74
• 4.2.3 不同错动位移下管道应力应变分析74-78
• 4.3 不同因素影响下埋地管道力学特性研究78-103
• 4.3.1 管道壁厚78-82
• 4.3.2 管道内压82-86
• 4.3.3 管道埋深86-89
• 4.3.4 断层夹角89-93
• 4.3.5 径厚比93-96
• 4.3.6 回填土质96-101
• 4.3.7 管材性质101-103
• 4.4 本章小结103-105
• 第5章 跨断层埋地管道应变设计方法研究105-132
• 5.1 基于应变的管道设计方法105-108
• 5.1.1 管道临界极限状态105-106
• 5.1.2 基于应变的设计思路106-107
• 5.1.3 基于应变与基于应力设计的区别107-108
• 5.2 基于应变的跨断层埋地管道设计108-109
• 5.2.1 跨断层埋地管道的极限状态108
• 5.2.2 跨断层埋地管道的轴向应变108-109
• 5.2.3 跨断层埋地管道的设计应变109
• 5.3 跨断层埋地管道的应变设计准则109-115
• 5.3.1 管道的容许应变109-110
• 5.3.2 极限状态设计准则110-112
• 5.3.3 管道应变设计准则112-113
• 5.3.4 提高管道设计应变的方法113-115
• 5.4 跨断层埋地管道不同工况下极限应变研究115-130
• 5.4.1 极限应变与设计应变115
• 5.4.2 不同工况下管道应变有限元分析115-124
• 5.4.3 不同工况下管道极限应变的规律124-129
• 5.4.4 工程管道不同工况下设计应变值129-130
• 5.5 本章小结130-132
• 第6章 结论与建议132-134
• 6.1 研究结论132-133
• 6.2 建议133-134
• 致谢134-135
• 参考文献135-141
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果141

【参考文献】

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本文编号：701532