埋地輸流管道動力學(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下的管道動響應(yīng)及管內(nèi)流體動態(tài)特性兩個方面，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埋地管道動力學(xué)行為的影響。 文章首先以振動理論、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)條件對埋地管道系統(tǒng)振動特性的影響。然后，基于建立的行波分析模型，將外激勵描述為簡諧激勵，分析了管道結(jié)構(gòu)在管內(nèi)脈動流體作用以及管外SH波作用下的動力學(xué)響應(yīng)問題，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)取值問題。 管流地震動水壓力是除水錘作用外，對輸流管道破壞較強(qiáng)的又一流體作用。以往的管道地震動水

3、壓力設(shè)計，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管流地震動水壓力的影響，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水壓力的數(shù)學(xué)模型，提出了兩種典型工況下的動水壓力計算公式，并將計算結(jié)果與不考慮流體可壓縮性時的剛體動水壓力進(jìn)行了比較，對管流地震動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)流體脈動對管內(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)行管道動水壓力設(shè)計時不考慮流體可壓縮性，可能帶來較大的誤差，輸液管線中的地震動水壓力不僅與地震烈度及靜水壓力有關(guān)，還與管線長度、場地類型、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，為了證實行波方法的有效性及流固耦合作用對系統(tǒng)動力學(xué)行為的影響，從實驗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)軸向振動固有頻率發(fā)生顯著改變，考