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原文传递基于钢管与土接触共同工作的埋地钢管的力学分析

论文题名：	基于钢管与土接触共同工作的埋地钢管的力学分析
关键词：	埋地钢管道;土接触;相互作用;有限元模型;受力机理;稳定性;ABAQUS
摘要：	埋地钢管具有承受很高的内压力、运行可靠性较高、制作简单、运输和安装比较方便等特点，这使得埋地钢管在工程上得到了广泛的应用。同时埋地钢管属于隐蔽工程，观察和检修都比较困难，而且输送的又往往是与工农业生产和人民生活密切相关的水、油、气等，一旦局部破坏，就会造成巨大的经济损失和严重的次生灾害。但是，目前的埋地钢管设计和施工中仍存在许多问题，一些管道由于设计的不合理使得其在使用中经常出现损坏、漏泄问题；还有一些管道的设计过于保守，从而造成了材料的浪费。造成这种情况的一个重要的原因是没能对埋地钢管的受力特性进行合理的分析，这是由于传统的分析设计方法没能合理地考虑土体与埋地钢管的接触相互作用，计算的过程中把土体作为简单的恒定荷载，在假定的载荷模式下对结构构件进行弹性分析。本文通过引入钢管与周围土体的接触相互作用，把钢管与土体作为一个整体进行考虑，从而更为合理地模拟埋地钢管的受力机理，从根本上克服了传统分析方法由于一些不合理假设引起的缺陷，并利用ABAQuS通用有限元程序建立了合理的有限元模型，得到了较为合理的结果。本文的主要研究内容及其相关成果有：对埋地钢管的现行分析方法进行了较为系统的阐述，并对其存在的缺陷和问题进行了分析，得出了现行分析方法存在这些缺陷和问题的原因，这是因为现行方法没有把土体与钢管作为一个整体结构进行分析，没有能够合理地考虑钢管与土体之间的接触相互作用。进而提出了本文采用的相对合理的接触相互作用模型，其包括钢管与周围土体的法向相互作用和切向相互作用两个方面，并研究了它们在数学上的处理方法。本文还研究了ABAQUS有限元程序所采用的接触算法，介绍了定义接触时应该注意的问题以及单元选择时应该注意的事项。同时对普通埋地钢管、上埋式钢管和沟埋式钢管三种不同工况的埋地钢管的建模方法进行了研究。通过对周围土体取不同模型尺寸时钢管的受力情况模拟结果进行比较，提出了合理的建模尺寸。通过对几种不同力学性质的土体用几种不同的本构模型进行建模，比较埋地钢管受力的模拟结果，得出了不同情况下应该采用的土体本构模型。并且分析了几个重要的模型参数对模拟结果的影响，提出了应用这些参数时应该注意的问题。对埋地钢管的稳定性理论及现行分析方法进行了研究和阐述，重点研究了采用有限元法基于钢管与土体接触共同作用下，进行埋地钢管稳定性分析的理论和实现方法。同时，通过有限元模拟结果与理论解析结果或者实验结果的对比，证明了有限元方法的准确性和可靠性。进一步分析了钢管几何缺陷和管土之间的摩擦对钢管稳定承载力的影响，发现钢管的几何缺陷对埋地钢管的稳定承载力有明显的影响，而钢管与周围土体之间的摩擦对埋地钢管的稳定承载力影响不大。
作者：	陆壮志
专业：	固体力学
导师：	郭小明
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文