交通荷載作用下埋地管道破損機理分析與安全性監(jiān)測結題摘要

為方便敷設施工和日常維護，多數(shù)市政管道特別是主干管道都埋設在道路沿線以下，車輛荷載是作用于埋地管道最頻繁的外部荷載之一。然而，車重、車速與車流的全面激增導致現(xiàn)代城市路下埋管破壞現(xiàn)象日益嚴重，研究交通荷載作用下埋地管道的破損機理并實現(xiàn)其安全性監(jiān)測對于路下埋管的設計、維護和改造具有重要意義。 本項目主要包括交通荷載作用下埋地管道破損機理分析和安全性監(jiān)測兩大方面的研究內容。一方面，通過監(jiān)測管道結構若干位置的響應發(fā)展交通荷載反演方法，建立埋地管道上部車輛荷載的數(shù)學模型，基于此研究埋地管道結構全段的內力、變形以及疲勞問題；另一方面，發(fā)展管道安全監(jiān)測的若干關鍵技術以實現(xiàn)路下埋管的安全評定。 針對重載車的直接碾壓，將車輛荷載下埋地管道的靜力分析問題分解成三個部分依次求解：車輛軸重引起的管頂附加土應力計算；基于Winkler彈性地基梁模型的管道縱向應力計算；基于IOWA公式的管道環(huán)向應力計算。揭示了輪壓、管道埋深、輪-管水平距離、管-土相對剛度、土壤阻力模數(shù)等參數(shù)對埋地管道力學性狀的影響規(guī)律?；诖耍_立了將車輛荷載等效為作用于埋地管道頂部附加土應力的反演方法。比較三維有限元數(shù)值模擬結果發(fā)現(xiàn)，土壤阻力模數(shù)的選取以及IOWA公式的計算假定，是造成理論分析誤差的主要原因。 車輛荷載下埋地管道的現(xiàn)場實驗研究表明：AGR管和PE管在豎向外力作用下，環(huán)向附加應力處于主導地位，新建鋼管在車輛荷載作用下響應較?。卉囕v移行軸載引起的土體振動與變形對埋地管道結構的影響可忽略不計；車速對管頂應變的幅值影響不大，可按靜力計算車輛通過時的管道結構響應；車輛荷載對管道特別是管道非連續(xù)焊接接口的疲勞壽命有重要影響。 針對路下埋管主要面臨的車輛重載碾壓、腐蝕、泄漏等安全威脅，發(fā)展了若干項管道安全監(jiān)測關鍵技術，包括基于分布式光纖溫度測試的管道泄漏監(jiān)測技術、基于分布式光纖變形測試的管道安全監(jiān)測技術、基于長標距應變測試的管道接口彎曲變形監(jiān)測技術、無線傾角管道變形監(jiān)測技術、聲發(fā)射泄漏監(jiān)測技術，以及超聲導波管道腐蝕缺陷監(jiān)測技術。以某實際天然氣管道改建工程為背景，建立了路下埋管安全監(jiān)測示范系統(tǒng)，研究了管道安全評估策略。 2100433B

車重、車速與車流的全面激增導致現(xiàn)代城市路下埋管破壞現(xiàn)象日益嚴重，研究交通荷載作用下埋地管道的破損機理并實現(xiàn)其安全性監(jiān)測對于路下埋管的設計、維護和改造具有重要意義。本項目主要針對交通荷載的短期和長期效應，分別探討車輛靜載和動載作用下路基土及下埋管的受力和變形特性，研究管道結構的功能退化及失效機理。針對重載車的直接碾壓，采用三維有限元方法進行埋地管道的靜力分析并探討帶有初始缺陷的管道結構在沉降變形下的破損機制。針對交通荷載的長期效應，采用2.5維FE-BE耦合模型揭示車輛振動在三維層狀路基土中的傳播規(guī)律，研究長期低幅重復振動下土的應變累積特性。結合先進的光纖傳感技術構建路下埋管健康監(jiān)測系統(tǒng)，建立基于監(jiān)測系統(tǒng)的驗證及修正靜載作用下埋地管道的力學分析模型、動載作用下結合波傳播理論發(fā)展的土結動力相互作用模型、低幅循環(huán)荷載下土體應變累積模型的現(xiàn)場原位試驗方法，確立軟硬件集成的路下埋管安全性監(jiān)測策略。

內容簡介

本書針對工程中較為常見的場地變形條件下埋地輸液管道的力學響應問題，從數(shù)值計算、試驗、裂紋擴展、失效預測等幾個方面闡述了埋地管道力學性能的分析方法與結果，體現(xiàn)了埋地管道力學性能分析的系統(tǒng)化過程。分跨斷層、砂土液化、不均勻變形等幾種場地變形情況，重點介紹了結合ADINA軟件的埋地彎管和直管有限元建模方法，計算方法包括了流固耦合、熱力耦合、管土接觸、多孔介質流固耦合、人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型預測模型等。具體計算實例采用以實際軟件操作為主的闡述方法，以便于所闡述技術方法的工程應用。該書可以作為防災減災工程與市政工程及其它相關專業(yè)研究生相關課程的教學參考書，并可供防災減災領域的科技人員參考。 2100433B

經(jīng)過三年多的努力，課題研究取得了豐碩的成果，主要有：完成了一維情況重復荷載作用下軟土變形室內試驗研究和理論分析工作；發(fā)展了路面和彈性地基協(xié)同工作分析方法；首次建立了交通荷載作用下道面和地基協(xié)同工作的動力彈粘塑性模型；創(chuàng)建了相應的彈粘塑性動力有限元分析方法；給出了有限深粘彈性土體在表面受豎向半波正弦動力荷載條件下土體一維有限元分析方法；首次開發(fā)了模擬豎向交通荷載下探討道面和地基協(xié)同工作的室內試驗研究方法；首創(chuàng)研制了相應的模型試驗裝置并成功地開展了試驗研究工作。理論研究有發(fā)展；分析方法有創(chuàng)新；模型裝置為首創(chuàng)；試驗研究有新意；數(shù)值模擬有特色。發(fā)表論文12篇；在人才培養(yǎng)和國際交片方面也取得了較好的成果。 2100433B