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原文传递钢制水管在落石冲击下的响应

论文题名：	钢制水管在落石冲击下的响应
关键词：	钢制水管;管道设计;力学性能;落石冲击;能量吸收;载荷分布
摘要：	落石是压力管道和其他管道穿越丘陵地区时所面临的一个严重问题。在大多数情况下，管道无法承受落石所带来的危害，比如，在实际工程中，从数百英尺高处坠落的巨石将会对管道及工程造成毁灭性的灾难，因而，在管道设计过程中必须考虑落石对管道的影响。　　保护压力管道不受外部冲击的一般方法是将其掩埋，然而，仅仅考虑埋一根压力管道是不能解决问题的。因此，需要通过适当的工程设计，提出一种更有效、更可靠的防落石方法来建立合适的保护系统，从而避免压力管道遭受冲击破坏。通过查阅文献发现对压力管道防护结构的研究较少。B.Pichler等人在2006年开发了砾石埋管的有限元模型，该模型可用于不同覆土高度的管道的荷载估算，并通过实际结构实验验证了该模型的有效性。在另一项研究中，B.Pichler等人在2005年研究并评估了两种保护系统，即GBPS(Gravel Based Protection System,砾石保护系统)和EPS(Enhanced Protection System,增强型保护系统)。砾石保护系统是一种具有密实砂砾的覆盖管，而增强型保护系统是由作为能量/冲击阻尼的砾石和作为承载结构的混凝土墙支撑埋置钢板的结构组成。实际的试验研究表明，压力管道材料的刚度、管沟内的管周刚度以及覆岩的高度都对能量吸　　收和载荷分布有重要影响。ANIL等人在2015年研究了土工泡沫在管道保护中的作用。他们通过对埋地钢和复合管试样进行结构实验，研究了土工泡沫材料的吸能性能,模拟了在使用该泡沫材料时的落石实验。该研究发现地质泡沫有助于能量吸收，从而保护了地下结构。并且通过文献调研，发现其他几项研究大多与穿过断层带、滑坡等的埋地钢管的变形分析有关，这有助于理解和拟议研究的总体理论概念。许多原因都可能导致埋管变形，其中环形椭圆化、弯曲、弯曲应变、屈曲等是埋地管道所面临的几种变形模式。研究表明，临界荷载与埋于地下的管长的平方根成反比，因此长管道即使在较小的压缩载荷作用下，也会发生弯曲，并可能造成人身伤亡，经济损失和环境危害。　　由于埋地管道的力学行为非常复杂，可能会产生不同类型的变形，如环向变形、纵向弯曲等，本文为了分析影响埋地管道力学性能的主要因素，将采用简化模型对其进行力学分析。本文采用不锈钢管对压力钢管的响应进行了实验研究,以不锈钢管为研究对象，研究了压力管道在冲击载荷下的力学行为，同时采用实验验证了该模型。实验设计思路如下：在实验室设计和制备了实验装置，包括装载架、作为压力管道容器的玻璃箱和具有升降功能的加载装置等。实验采用了不同的参数进行操作和对比，即管径、管厚、管深、落石高度、落石载荷和回填材料的砾石砂比。本实验装置的主要设计条件为管内静压和水击压强，其中，水击压强主要是由于水流量变化或突变负荷后的阀门关闭引起的。由于水击压强产生的压力影响了设计的成本和安全性，管道尺寸过大和过小都可能会造成安全风险。因此，为避免较高的水击压强的影响，采用合适的管道尺寸对于管道设计师至关重要。通过改变管道参数（即管径、管厚）以及管道的埋管深度、填充材料砾砂比和重物坠落高度，进行了多次实验。在实验中，由安装在对称位置的应变片采集轴向和环向的实时应变。为避免实验结果的偶然性和误差，对每个样品分别进行了三次重复试验。根据实验结果，得到了不同冲击载荷条件下的冲击时间曲线、力位移图和冲击力能量对比图。另外，本文也对冲击力、冲击能量、冲击速度和位移进行了理论计算，并与实验结果进行了比较。　　在第二章，我讨论了研究方法，推导了理论值的计算公式，并对本研究进行了建模。考虑情况如下：其中一块巨石从一定高度落下，压缩了下面的回填材料，穿透回填料落在埋管上，因此损失了一些能量，并将另一部分能量转移到地下压力管道；压力管道在冲击力的作用下发生变形，轴向或环向的变形可能是弹性或塑性的，具体情况取决于冲击的严重程度。这种情况表明，对于特定的冲击力，如果回填土的能量阻尼性能得到改善，则损伤可以最小化。由于与结构力学相关的问题比较复杂，所以埋地管道的设计具有一定的复杂性。因此，本章简要介绍了环设计、管梁强度、土力学等相关理论，这将有助于了解情况和设计埋管。　　第三章详细介绍了实验装置及测试系统。实验分为五个部分：样品管制备、装车架和落锤、埋管系统、玻璃箱、回填材料和数据采集系统。本实验采用两个不锈钢管样品。一个压力管道样品的外径为150毫米、厚度为2毫米，长为965毫米；另一个样品的外径为75毫米，厚度为1.5毫米厚，长为965毫米。在每个样品上选择三个部位安装应变计。第一个部位是沿着边缘标记在中间，并用“M”缩写表示。第二个部位是在距离中间247.5毫米的前面做标记，用“F”表示。第三个部位是在距离中间123.75mm的后面做标记，用“R”表示。每个部分安装有八个应变计，在12、3、6和9点钟位置各布置一对应变计。在每对应变计中，都把一个布置在轴向，另一个布置在周向，用于记录压力管道的轴向和周向的应变。另外，还设计制造了装载架、砝码和玻璃箱。该装置便于砝码从最大高度2.5m处进行重力下降。通过将仪器TST5912动态信号测试和分析系统与应变仪调节器结合使用，实现了从应变仪和称重传感器获取数据。该装置有16个通道，因此可以同时连接16个桥接电路。应变仪调节器可以使所需的电路是四分之一、半桥或全桥电路。本实验区采用带补偿应变片的电桥电路。在两个管道样品中，采用对应的管道外应变片作为应变片的补偿，以补偿温度引起的应变。称重传感器基于应变计原理，因此可以与相同的仪器连接。实验中，对于不同的跌落质量“m”、跌落高度“h”和埋深“d”，逐个测试了样品。在安装应变仪的三个部分中的每一部分的上方都进行了具体数值的测试。对于一个特定的部分，为了精确性，荷载下落了三次，每次都进行数据采集。因此，对于特定比例的回填材料，总测试设置为18次。所选比例为00-100、20-80、30-70，其中前两位数字表示砾石百分比，第二对数字表示砾石-砂混合物中存在的砂的重量百分比。　　第四章中讨论了实验结果，并与理论计算结果进行了比较。冲击力的数值在撞击回填料后，在很短的时间内迅速上升。例如，冲击力达到最大值所用的时间为0.002、0.003和0.003秒，适用于三种相似的加载条件，但砾石砂比不同。无论条件如何，当任意截面12点钟位置的轴向应变计显示压缩时，3、6、9点钟位置的轴向应变计显示拉伸。这表明管道在冲击载荷下倾向于向下弯曲。同样，安装在任何截面12和6点钟位置的周向应变计显示压缩，安装在任何截面3和9点钟位置的周向应变计显示为拉伸状态。这表明管环从圆形变形为椭圆形。与6点钟位置相比，12点钟位置的应变计显示出相当大的拉伸。从不同实验中获得的数据可以对管道试样的力学响应有一个大致的了解。为了得出结论，比较了不同试验的数据。为便于比较，仅对冲击时间跨度范围的数据取平均值。为此，通过从相应的应变计数据中减去重复出现的噪声值，对数据进行了改进，从而减少了噪声。每个试验的称重传感器读数首先要除以试验前通过校准获得的系数3.96；然后，将所得值（以千克为单位的等效质量）与重力加速度相乘；最后，得到以牛顿为单位的冲击力。根据第2章推导的方程计算了冲击力和能量值，然后，基于实验结果对比了相同条件下的数值。结果表明，实验所得值高于理论值，这是因为理论计算使用的条件较理想化，不能准确的描述回填材料的使用工况。此外，F-S曲线偏离线性。这些实验结果表明，回填材料砂砾石具有弹塑性。结果表明，当回填土中含20%砾石时，在相同质量和落差高度下，加速度值比纯砂和30%砾石的加速度值小，能量也比纯砂小。这可能是由于管道周围的回填土分担了一定的负载，类似于弹簧效应，吸收了一定的能量。但是随着砾石含量增加，超过一定值会降低能量吸收能力。因此在这种情况下，纯砂可能更有效。结果表明，在冲击荷载作用下圆管管环呈椭圆形，因此，在设计时应同时考虑管道的环向稳定性和强度。在压力管道设计中，落石风险段的冲击荷载通常被忽略，但冲击载荷对压力管道的破坏影响很大，因此，冲击载荷必须与其他设计参数一起考虑，以避免在运行过程中出现不利情况。　　在第五章中，对研究结果进行了总结。在大多数实验中，如果回填土中有20%的砾石，则加速度值较小，因此能量比相同质量和高度下的纯砂和30%的砾石小。若砾石含量增加，超过一定值会降低回填土的能量吸收能力。受力状态分别为：管环周向上下压缩，左右拉伸，顶面压缩，其余三个象限点轴向拉伸。这表明，由于周向应力的作用，管环的形状变为椭圆形，并沿轴向向上弯曲。因此，在设计时应同时考虑管道的环向稳定性和管道的强度。假定砾砂混合料为弹簧，要求很高的精度，因为在许多情况下，它显示值的突变在实验过程中有很大的误差，所以，将砾砂混合料简化为弹簧有一定的误差。对于砾砂混合料，应考虑其他先进的模型。然而，这一假设足以理解埋管的一般力学响应。沿圆周方向12点和6点出现的相对较大变形值表明，埋管环向更容易受到变形威胁。因此，在这种情况下，设计的首要任务应该是加强埋管的环向稳定性。在研究的基础上，应考虑落石风险段的冲击荷载，避免在运行中出现不利情况。由于现有的压力管道保护系统有很大的改进空间，因此对压力管道保护系统的优化还需进一步研究。设计方法应是找到一种合适的回填材料/混合物，该材料/混合物应该易于采购，成本经济且性能具有高效性。此外，将落石方向转移到安全角度（如避免能量大量转移到埋管）的设计是未来研究人员值得考虑的的另一种思路和方法。
作者：	Riaz Hussain侯赛因
专业：	Mechanical Engineering
导师：	Linan Li
授予学位：	硕士
授予学位单位：	天津大学
学位年度：	2019
正文语种：	中文