采用等效弹簧边界分析埋地管线在沉陷情况下的反应

场地的不均匀沉陷是导致埋地管线破坏重要原因之一.到目前为止,国内外对沉陷区埋地管线的反应分析甚少.为了真实地分析管线在沉陷情况下的反应,通过引入一个非线性弹簧,作为分析埋地管线在沉陷情况下反应的边界条件,以代替远处直线段管线的变形,将管线模拟成四节点薄壳单元,土介质简化为弹塑性弹簧,采用线性位移加载来模拟土体的沉陷作用,对有限元模型进行计算分析.通过实例计算,得出了管线的控制力,找出了管线的控制截面,为沉陷区埋地管线的设计提供一定的理论依据.     

穿越逆冲断层的埋地管道非线性反应分析

穿越逆冲断层的埋地管道在地震作用下,容易发生局部屈曲或整体失稳等形式的破坏,研究逆冲断层作用下的埋地管道地震反应规律,对管道抗震设计及施工等具有重要的意义。本文将埋地管线及周围土体从半无限地球介质中取出,分别以空间薄壳单元和实体单元进行离散,采用非线性接触力学方法模拟管、土之间的滑移、分离及闭合现象;采用线性位移加载模拟断层的错动,考虑了系统初始应力状态的影响,对土体未开裂前的管土相互作用系统进行了拟静力数值分析;分析了位错量、土体刚度、埋设深度、径厚比及跨越角度对埋地管道反应的影响,得出了一些有益的结论。     

场地沉陷作用下埋地管道屈曲反应分析

土体沉陷是引起埋地管道破坏的重要原因之一,它会引起穿越该沉陷区域的大口径地下管道屈曲失稳,使管道在没有达到拉伸或剪切强度前便退出工作.将管道与周围土体从半无限土体介质中共同取出,建立沉陷作用下的管土相互作用模型.管道以薄壳单元模拟,土体采用实体单元进行离散,采用特征值屈曲分析方法对沉陷区域埋地管道的屈曲稳定性进行了分析,给出了管道发生屈曲时的屈曲模态及对应的沉降量.研究沉陷区长度、管道埋深、管径、壁厚及场地条件等对管道屈曲反应的影响.在文中所用模型与假设条件下发现地下管线埋深较浅时更易发生屈曲失稳,管道径厚比越大管道越易发生屈曲,场地土体越硬管道越易发生屈曲失稳等结论.     

跨越断层埋地管线地震反应数值分析

跨越断层埋地管线在地震中的破坏是非常严重的,地震本身和管土相互作用体系中都存在很多不确定性因素,所以管线在断层运动过程中反应比较复杂。本文利用有限元理论和数值模拟手段,建立了管土作用模型,采用非线性接触问题研究方法详细地分析了管线由断层运动而产生的反应,对影响管线的各种因素进行了分析,包括位错量、跨越角度、断层运动形式、埋设深度、初始轴向力、断层裂缝宽度、填覆土质和管径。通过研究,得到一些初步结论。     

地震断层作用下的埋地管道等效分析模型

地震作用下,活动断层附近的埋地管道易发生强度屈服、局部屈曲或整体失稳等形式的破坏,建立准确、高效的埋地管道在断层作用下的计算模型,对管道的抗震设计和震后安全状态评估具有重要的实用价值。本文采用非线性弹簧模拟远离断层处埋地管道的反应,基于管土之间小变形段管道处于强化阶段,提出一种改进的管土等效分析模型,进一步减小了管土之间大变形段的分析长度,从而提高了有限元分析效率。该模型采用ALA推荐的方法计算管土间的滑动摩擦力,可以考虑土体种类的影响;用Kennedy方法确定管道的计算长度。通过与精确模型比较,验证了管土等效模型的合理性和有效性。     

OpenSEES的剪力墙宏观单元的研究

重点研究三维剪力墙单元MVLEM3D的数值模型及计算原理,并采用开源非线性有限元程序OpenSEES进行剪力墙低周往复试验的数值分析,探讨不同单元划分形式对结果的影响。通过二次开发编制了基于OpenSEES的剪力墙结构分析程序SWNA,对不同弹簧个数、不同竖向及水平划分方式,建立剪力墙宏观单元模型进行分析,对比试验结果表明该数值方法能够很好地从宏观上模拟剪力墙弹塑性行为:包括中和轴移动、剪切变形影响、局部塑性状态及破坏机制等。通过单元及弹簧的划分对比,可知该单元可通过比较少的自由度模拟剪力墙结构,节省大量计算时间。对于强非线性分析,增加水平划分可以考虑局部的破坏变形,使骨架曲线下降段明显。因此该单元适用于高层建筑结构的整体弹塑性分析及基于性能的抗震评定。     

跨越断层埋地管道屈曲分析

考虑埋地管道与土介质的相互作用，分析了管道作为薄壳结构的断层位错反应。管道模型化为四结点薄壳单元结构，土介质简化为弹塑性弹簧，建立了管土相互作用的有限元分析模型。计算中，考虑了管道与土介质的材料非线性，管道几何参数，断层类型及破碎带宽，断层滑移角，埋深，内压，温度应力等因素的影响，根据计算结果描绘出管道控制点位移，应力及应变时空分布曲线；比较不同参数下管道的反应特征，总结管道反应的变化规律。最终得到结论：在大位移断层运动作用下，埋地管道反应存在明显的非线性效应，断层类型，管道埋深等因素不能忽略。     

多维多点相关地震动作用下埋地管线地震响应的数值模拟

为了研究考虑地震动的空间相关性时埋地管线的地震响应,基于Opensees有限元程序,对埋地管线在多维多点相关地震动作用下的响应进行数值模拟。模型中采用基于柔度法的非线性梁柱单元模拟管体结构,利用基于频域合成法生成多维多点人工地震动实现地震激励输入,采用零长度单元考虑管体和土体在其接触面上的非线性力学行为。数值模拟结果表明:0.2 g地震强度下,非一致激励下管道的应变响应主频是一致激励下管道应变响应主频的4~5倍;在0.1 g地震强度下,非一致激励得到的管体应变最大可以达到一致激励下管体应变的1.5倍,且随着地震强度增强两者的差距明显增大,这种差距可能使在一致激励下安全的埋地管线在考虑非一致激励时变得不安全。所以在抗震设防等级较高的地区,考虑非一致地震激励作用对于埋地管线的破坏是必要的。     

埋地管线有限元建模方法研究

本文回顾了埋地管线抗震分析的研究工作，阐明研究埋地管线建模方法的重要性，结合几种埋地管线有限元建模方法，逐一论述各自的特点及适用条件。在上述工作的基础上，提出了可用于分析管线节点壳型屈曲及模拟管线面内应力应变发展直至屈服破坏过程的管土相互作用分析模型。     

跨断层水泥管试验的有限元分析

在考虑管道的材料非线性和几何非线性、管土相互作用的非线性和管道接口非线性的基础上,建立了由管体梁单元、三向土弹簧单元和接口单元组成的埋地非连续管道在断层位移作用下的有限元模型,并以美国密歇根大学Junhee等(2010)所做的跨断层水泥管试验为原型进行了模拟分析。有限元结果给出的水泥管最终变形、接口转角、接口位移与实验结果基本一致,表明本文提出的跨断层埋地非连续管道抗震计算的有限元分析方法具有一定的合理性。有限元结果和试验结果都表明,在逆冲断层作用下,水泥管的破坏主要是因为在管道接口处的轴向压力和弯矩的耦合作用,在断层附近的管道接口承受了较大的转动和压缩位移。本文所提出的分析方法可推广到埋地非连续管道在其它永久地面变形作用下的有限元分析。     

跨断层隔震管道管端与土体相互作用分析

断层错动是造成埋地管道破坏的重要因素之一,因此,跨断层埋地管道在断层错动下的破坏机制、模型设计与参数分析和管道抗断层措施一直是生命线工程的前沿问题。对跨断层管道内力分析取得的成果较多,比较经典的是Newm ark-Hall方法、Kennedy方法和王汝梁方法,后来又出现基于壳模型的有限元分析方法。现有的管道抗断层措施具有其优点的同时亦有其不足。本文基于壳模型的有限元动力数值模拟,对一种管道跨断层隔震措施进一步研究,考虑管端与土体相互作用计算隔震管段的断层错动响应。计算结果表明拉应变容易在土中的管段传递,相比较而言,压应变不容易在土中的管段传递;最大拉应变降低比较多,最大压应变降低比较少。根据分析结果,对跨断层隔震管段边界条件的选取提出建议。     

Permanent earthquake‐induced actions in buried pipelines: Numerical modeling and experimental verification

Buried pipelines are often constructed in seismic and other geohazard areas, where severe ground deformations may induce severe strains in the pipeline. Calculation of those strains is essential for assessing pipeline integrity, and therefore, the development of efficient models accounting for soil‐pipe interaction is required. The present paper is aiming at developing efficient tools for calculating ground‐induced deformation on buried pipelines, often triggered by earthquake action, in the form of fault rupture, liquefaction‐induced lateral spreading, soil subsidence, or landslide. Soil‐pipe interaction is investigated by using advanced numerical tools, which employ solid elements for the soil, shell elements for the pipe, and account for soil‐pipe interaction, supported by large‐scale experiments. Soil‐pipe interaction in axial and transverse directions is evaluated first, using results from special‐purpose experiments and finite element simulations. The comparison between experimental and numerical results offers valuable information on key material parameters, necessary for accurate simulation of soil‐pipe interaction. Furthermore, reference is made to relevant provisions of design recommendations. Using the finite element models, calibrated from these experiments, pipeline performance at seismic‐fault crossings is analyzed, emphasizing on soil‐pipe interaction effects in the axial direction. The second part refers to full‐scale experiments, performed on a unique testing device. These experiments are modeled with the finite element tools to verify their efficiency in simulating soil‐pipe response under landslide or strike‐slip fault movement. The large‐scale experimental results compare very well with the numerical predictions, verifying the capability of the finite element models for accurate prediction of pipeline response under permanent earthquake‐induced ground deformations.     

Analysis of buried pipelines subjected to reverse fault motion

Presently available simplified analytical methods and semi-empirical methods for the analysis of buried pipelines subjected to fault motion are suitable only for the strike-slip and the normal-slip type fault motions, and cannot be used for the reverse fault crossing case. A simple finite element model, which uses beam elements for the pipeline and discrete nonlinear springs for the soil, has been proposed to analyse buried pipeline subjected to reverse fault motion. The material nonlinearities associated with pipe-material and soil, and geometric nonlinearity associated with large deformations were incorporated in the analysis. Complex reverse fault motion was simulated using suitable constraints between pipe-nodes and ground ends of the soil spring. Results of the parametric study suggest that the pipeline's capacity to accommodate reverse fault offset can be increased significantly by choosing a near-parallel orientation in plan with respect to the fault line. Further improvement in the response of the pipeline is possible by adopting loose backfill, smooth and hard surface coating, and shallow burial depth in the fault crossing region. For normal or near normal orientations, pipeline is expected to fail due to beam buckling at very small fault offsets.     

Dynamic response of pipelines to moving loads

Vibration of buried pipelines induced by moving axial and radial loads has been studied in this paper. A thin shell model has been used for the pipeline, which is assumed to be lying in an infinite isotropic homogeneous elastic medium. In order to allow for the possible motion of the pipe out of phase with the surrounding ground a very thin layer of viscoelastic material is assumed to separate the pipe from the ground. Calculations indicate the presence of the interfacial viscoelastic layer does not influence the pipe response in a significant manner. So all the numerical results presented here are for the case when the pipe is assumed to be perfectly bonded. These show that the maximum pipewall displacements and stresses occur in a soft soil at long wavelengths.     

场地沉陷埋地管道反应分析方法

场地的不均匀沉陷是导致埋地管线破坏的重要原因之一，至今，国内外对这一问题的研究甚少。本文提出了一个新的方法，用以分析受沉陷作用的埋地管道的反应，该方法选取跨越非沉陷区和沉陷区的埋地管道为研究对象，用三次曲线模拟沉陷区管道的几何大变形，推导出沉陷区段管道在几何大变形条件下的受力平衡方程的内力递推公式，用弹性地基梁模型模拟非沉陷区的管道变形，并用学陷区和非沉陷区交界面处的变形及力学协调条件给出了交界点