Nonlinear Static Finite Element Stress Analysis of Pipe-in-Pipe Risers

Owing to the complexity of the pipe-in-pipe (PIP) riser system in structure, load and restraint, many problems arise in the structural analysis of the system. This paper presents a new method for nonlinear static finite element stress analysis of the PIP riser system. The finite element (FE) model of the PIP riser system is built via software AutoPIPE 6.1. According to the specialties of a variety of components in the PIP riser system, different elements are used so as to model the system accurately. Allowing for the complication in modeling the effects of seabed restraint, a technique based on the bilinear spring concept is developed to calculate the soil properties. Then, based on a pipeline project, the entire procedure of stress analysis is discussed in detail, including creation of an FE model, processing of input data and analysis of results. A wide range of loading schemes is investigated to ascertain that the stresses remain within the acceptable range of the pipe material strength. Finally, the effects of the location of flanges, the thermal expansion of submarine pipelines and the seabed restraint on stress distribution in the riser and expansion loop are studied, which are valuable for pipeline designers.     

真空预压侧向变形影响因素的研究

依据大量工程实测资料以及以比奥 (Biot)固结理论为基础的有限元分析结果 ,对固结系数、排水板打设间距、真空度、预压面积等因素对采用真空预压处理地基的侧向变形的影响进行了研究 ,并通过分析证明了巴隆轴对称固结理论单井假设的合理性     

低位抽真空加固软基的有限元分析

本文分析了低位抽真空加固软基的作用机理，并且用Ｂｉｏｔ固结果仿佛的有限元单元法分析了在不同的边界条件下的加固效果。     

碳化碱渣的工程土特性检测

本文介绍了生产纯碱的遗留物工业废料碱渣的化学成分，并通过常规的土工试验手段检测了其作为工程土应用表现的物理力学性质，分析了它作为填垫材料的可行性。     

双拱初始缺陷海底管线水平向整体屈曲数值模拟分析

为了研究具有双拱反对称初始缺陷海底管线的整体屈曲特性,采用模态分析法将最可能出现的缺陷形态引入数值分析模型中。针对管线在高温高压作用下发生整体屈曲的动态变形特征,运用显式动力数值模拟方法研究了管线整体屈曲过程中水平向变形与轴向变形随温度和内压的变化规律,建立了在整体屈曲过程中屈曲管段与滑动管段轴力的变化过程与初始缺陷形态的关系。将数值模拟结果同经典解析解和室内模型实验结果进行对比,验证了本方法的可靠性。工程算例的分析结果表明,管线整体屈曲的发生是一个由低阶向高阶发展的过程,具有双拱缺陷的管线首先发生二阶模态的整体屈曲,而后过渡到四阶模态;管线整体屈曲的变形包括屈曲段的水平向变形和滑动管段的轴向缩进,其中水平变形释放了管壁内的轴力,轴力的释放量随初始缺陷尖锐程度的降低而增大;轴向缩进变形由于受到地基土的摩阻力使滑动管段内的轴力发生累积,轴力的累积量随初始缺陷的尖锐程度的降低而增加。以上研究成果对指导实际工程具有现实意义。     

考虑海底管线初始侧向变形的低阶模态

温度应力下海底管线的整体屈曲是海底管线设计中的关键问题之一,不埋或半埋的海底管线较易发生水平向整体屈曲。海底管线会因为制造的缺陷或铺设的原因而具有初始变形,即初始侧向变形。研究了初始侧向变形对海底管线整体屈曲的影响,应用小变形理论建立了单拱侧向变形和反对称双拱侧向变形管线发生低阶模态水平向整体屈曲的理论分析方法,结合工程实例分析了初始侧向变形形态、侧向变形幅值以及地基土体强度特性对管线水平向整体屈曲的影响。结果表明,初始侧向变形的存在使管线更易发生整体屈曲;而反对称双拱侧向变形比单拱侧向变形更易引起管线整体屈曲;随初始侧向变形幅值的增加管线发生整体屈曲所需要的温差降低,且整体屈曲变形形态有所改变管土间摩擦系数的增加会提高管线发生整体屈曲的温差,从而提高管线抵抗整体屈曲变形的能力。     

软土地基上影响预应力钢筒混凝土管相对转角关键因素研究

预应力钢筒混凝土输水管线(PCCP)已广泛应用于地下输水工程,特别是南水北调工程。管道接口属于半刚性结构,相邻管道可产生一定的自由转角,在自由转角范围内两管之间不会产生内力。当相对转角大于自由转角时,两管会产生相互作用力,作用力过大会导致PCCP管的破坏,如何有效地控制不均匀软土地基上相邻管道转角成为研究管道安全的关键问题之一。首先分析了导致PCCP管线产生相对转角的机制,结合现场试验和数值分析对控制PCCP管线相对转角的关键因素进行研究。研究表明,相对转角的敏感因素为管道底部碎石垫层厚度、腰部以下砂垫层（砂包角）厚度和压实度,随着碎石垫层厚度增大、砂垫层（砂包角）厚度和压实度增加,管线相对转角降低,通过控制这3个因素可有效控制PCCP管的相对转角。研究成果可为软土地基上PCCP输水工程设计提供依据和指导。     

PTC管桩复合地基应力扩散效应研究

预应力混凝土薄壁（PTC）管桩复合地基作为常见的基础型式在软土地区具有良好的实用价值和应用前景。在实际工程中,复合地基下卧层附加应力的确定一直是重点和难点,因此对PTC管桩复合地基应力扩散效应的研究具有十分重要的意义。针对天津软土地区进行了3组不同垫层厚度的复合地基现场静载试验,基于现场试验建立并验证了数值模拟方法,对比研究了该型式复合地基的承载特性;通过已建立的数值模拟方法研究了不同工况下PTC管桩复合地基的应力扩散现象,结合复合地基应力扩散理论确定了扩散角的取值范围,分析了土质、加固深度和外荷载对扩散角的影响规律。计算结果可为工程设计提供依据。     

孔隙变化对吹填土地基真空预压固结的影响

吹填地基真空加固过程中,吹填土由液体泥浆变为固态土体,其孔隙降低非常大。由于土体的渗透性和压缩性是孔隙比的函数,因此,吹填土在固结过程中固结系数变化很大,而现行设计方法中固结系数取为常数,这导致预测结果和实际结果差异较大。为考虑固结过程中孔隙变化对固结过程的影响,推导了真空荷载作用下土体固结系数与有效应力的关系,并将该关系应用于巴隆固结理论,从而建立吹填土地基真空固结分析模型。通过室内模型试验,验证了该模型的合理性。计算结果表明,考虑孔隙变化的影响时,吹填土地基前期固结速度快,而在后期逐渐变慢。由于排水面附近土体渗透系数迅速降低,阻碍了周围土体中孔隙水向排水面排出,因此,与现行固结设计方法计算结果相比,吹填土地基后期固结速度慢,总体固结时间长。     

天津滨海新区软黏土的蠕变特性及无屈服面模型研究

天津滨海新区大部分为围海造陆形成的陆域,主要为吹填土经真空预压加固的软黏土地基,具有鲜明的地域特征。其蠕变特性对该地区的建筑物和构筑物地基的变形和长期稳定性有很大影响。采用大直径原状试样进行了三轴不固结不排水蠕变试验,研究了滨海新区软黏土的蠕变变形的规律性。在此基础上建立天津滨海新区软黏土的无屈服面蠕变模型,该模型只有5个参数,各参数物理意义明确,且可以通过试验确定。采用建立的模型对试验结果进行对比分析,理论模型计算结果与试验数据的拟合曲线吻合较好。该模型可用来对软黏土地基上结构物的长期蠕变变形的发展趋势和地基稳定性进行预测。