埋地輸流管道動(dòng)力學(xué)特性及其影響因素分析.pdf

1、埋地輸液管道系統(tǒng)屬于重要的生命線工程，是一種特殊的地下結(jié)構(gòu)，在能源輸送、城市給排水、化工及核工業(yè)等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。以往關(guān)于埋地管道的研究主要集中在外部激勵(lì)下的管道動(dòng)響應(yīng)及管內(nèi)流體動(dòng)態(tài)特性兩個(gè)方面，但都很少考慮到流固耦合的作用。然而，關(guān)于地上載流管道的研究結(jié)果卻表明，流體與結(jié)構(gòu)之間的耦合作用可使系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能發(fā)生顯著改變。本研究主要是為了探索流固耦合作用對(duì)埋地管道動(dòng)力學(xué)行為的影響。 文章首先以振動(dòng)理論、流固耦合理論為基礎(chǔ)，利

2、用行波方法建立了埋地輸流管線系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析模型，研究了泊松耦合、連接耦合、支承條件及土質(zhì)條件對(duì)埋地管道系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響。然后，基于建立的行波分析模型，將外激勵(lì)描述為簡(jiǎn)諧激勵(lì)，分析了管道結(jié)構(gòu)在管內(nèi)脈動(dòng)流體作用以及管外SH波作用下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)問(wèn)題，并討論了影響結(jié)構(gòu)響應(yīng)的一些因素。為了保證系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性，文中探討了系統(tǒng)建模中的一些參數(shù)取值問(wèn)題。 管流地震動(dòng)水壓力是除水錘作用外，對(duì)輸流管道破壞較強(qiáng)的又一流體作用。以往的管道地震動(dòng)水

3、壓力設(shè)計(jì)，大多將流體處理為剛體，這在一定情況下可能是不安全的。為了研究流體可壓縮性對(duì)管流地震動(dòng)水壓力的影響，文章利用模態(tài)疊加法及地震反應(yīng)譜理論，建立了分析輸液管線地震動(dòng)水壓力的數(shù)學(xué)模型，提出了兩種典型工況下的動(dòng)水壓力計(jì)算公式，并將計(jì)算結(jié)果與不考慮流體可壓縮性時(shí)的剛體動(dòng)水壓力進(jìn)行了比較，對(duì)管流地震動(dòng)水壓力的影響因素進(jìn)行了討論。 數(shù)值算例分析結(jié)果表明，管內(nèi)流體脈動(dòng)對(duì)管內(nèi)應(yīng)力有較大影響，流固耦合作用可使埋地管道系統(tǒng)的sH波響應(yīng)大幅提高

4、，管道直埋有利于管道受力性能的改善，且硬土的效用高于軟土；進(jìn)行管道動(dòng)水壓力設(shè)計(jì)時(shí)不考慮流體可壓縮性，可能帶來(lái)較大的誤差，輸液管線中的地震動(dòng)水壓力不僅與地震烈度及靜水壓力有關(guān)，還與管線長(zhǎng)度、場(chǎng)地類型、管流所處工況、地震反應(yīng)譜以及管內(nèi)流體波速有重要關(guān)系。 最后，為了證實(shí)行波方法的有效性及流固耦合作用對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為的影響，從實(shí)驗(yàn)的角度研究了一單跨管道的頻譜和頻響特性。研究結(jié)果表明，流固耦合作用可使系統(tǒng)軸向振動(dòng)固有頻率發(fā)生顯著改變，考