土体约束对海底管道整体屈曲的影响机理研究

高温高压下海底管道的整体屈曲稳定性分析是管道设计的重要组成部分,而选取多长的管道进行分析对其整体屈曲稳定性结果影响显著。依据临界管长将管道分为"长管"与"短管",基于动力显式分析方法,揭示了长管与短管在发生整体屈曲过程中,屈曲幅值与波长、管壁轴向压力、轴向应变及轴向位移的变化规律;研究了土体约束力影响管道临界长度的规律性,分析了土体约束力系数对长管与短管整体屈曲变形的影响。研究发现,土体约束力对短管的整体屈曲行为影响显著,短管的整体屈曲幅值随土体约束力系数的增大呈现先增大后减小的趋势。该项研究对区分不同长度管道的整体屈曲类型进而采取有效防控措施具有重要参考价值。     

椭圆度-凹坑双缺陷海底管道局部屈曲特性研究

海底管道在制造、埋设以及使用过程中极易产生椭圆度-凹坑双缺陷,双缺陷影响管道局部屈曲,对含椭圆度-凹坑双缺陷海底管道的局部屈曲特性研究十分必要。现行规范中采用等效椭圆度对含椭圆度-凹坑海底管道进行评估,该方法无法准确评估不同缺陷形式的屈曲特性。采用形状系数对含椭圆度-凹坑双缺陷的海底管道进行评估,运用有限元软件ABAQUS进行数值模拟,并进行试验验证。在此基础上对含有不同凹坑深度、不同椭圆度的海底管道进行局部屈曲的数值模拟,计算不同形状椭圆度、含有不同凹坑深度海底管道的形状系数,对其进行敏感性分析。计算结果表明:形状系数对海底管道椭圆度、凹坑深度、径厚比敏感性较强;对凹坑宽度敏感性较弱。     

建筑抗震构件中屈曲约束支撑结构研究新进展

详细介绍了近年来中国学者在屈曲约束支撑研究方面取得的研究成果，着重讨论了屈曲约束支撑构件（核心单元、约束机构、无黏结构造层）和整体抗震性能以及设计方法的研究现状。结果表明：屈曲约束支撑以其良好的耗能性能具有很好的发展潜力，屈曲约束支撑的适用范围不断拓展，结构形式更趋多样化，设计方法不断优化。     

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。     

海底管线水平向整体屈曲及失效判断方法研究

海底管线是海洋石油的重要输运手段。为满足输送工艺的需要,正常工作条件下管线往往被施加较高的温度和压强,高温高压使管线内产生附加应力,当附加应力大于土体对管线的约束力时,管线就会发生整体屈曲。过度的水平向整体屈曲会导致截面产生较大的弯曲应力和压缩应变,对管线系统的安全运行造成威胁,因此需要对发生水平向整体屈曲后的管线进行验算。采用解析解法、规范法和有限元法对管线的整体屈曲进行分析,提出了应用临界屈曲荷载值域空间和值域下限来判断不同缺陷大小下管线是否发生水平向整体屈曲的方法。结合工程实例,分别采用内力控制标准和位移控制标准对管线水平向整体屈曲后是否失效进行了验算。研究指出,相较于位移标准,内力控制标准更为严格。     

基于多尺度有限元的海上升压站脚靴式桩套筒连接结构分析研究

脚靴式海上升压站导管架的桩套筒与主导管的连接结构是关键荷载传递部位。整体梁系有限元模型无法反应局部板型结构的失效状态;截断板系有限元模型则受制于边界条件的合理性,结果不够精确。文中基于某工程海上升压站,建立不同精细化范围的多尺度有限元模型及不同边界条件的截断模型,对结构屈服失效及屈曲失效复核的同时论证了局部网格对计算精细程度的影响及截断模型对边界条件的敏感性;此外,研究了轭板板厚及应力比对屈曲失效的敏感程度,为今后海上升压站脚靴结构不同阶段的设计、优化提供参考和借鉴。     

海底埋设双层管管道隆起屈曲分析

海底埋设双层管管道隆起屈曲分析是海洋管道设计的重要技术之一。在管道隆起屈曲分析中实现管土作用和内外管相互作用的准确模拟一直是工程应用追求的目标,也是其中的难点。利用管土作用单元和管中管单元等技术,建立了海底埋设双层管管道隆起屈曲分析有限元模型。该模型不但考虑了管道初始形状、压力、温差载荷、管道材料非线性等常规因素,还考虑了非线性管土作用和内外管相互接触作用,并能对管道屈曲前和屈曲后全程进行模拟。应用该模型,计算了一条高温高压埋设双层管管道隆起屈曲过程中的应力等。算例表明该模型有较好收敛性,能对一般海底高温高压埋设双层管管道隆起屈曲进行准确模拟。     

海底管线整体屈曲过程中土体水平向阻力模型研究

高温、高压作用下不埋或浅埋的海底管线较易发生水平向整体屈曲,土体对管线的阻力决定了管线的变形形态及变形后的应力状态,因此,确定管线受到的土体阻力对准确地分析管线的整体屈曲有重要意义。开展了基于渤海砂性土体的系列室内模型试验,测定了不同埋深条件下管线受到的土体阻力,建立了随埋深条件而变化的土体动态阻力模型,揭示了埋深对土体阻力峰值和最终稳定值的影响。由于ABAQUS内置的罚函数接触模型无法实现管-土界面的动态摩擦特性,开发了子程序VFRIC,在管线温-压联合作用下的整体屈曲分析中成功引入了建立的土体动态阻力模型,实现了土体阻力大小与管线位移相关的动态接触特性模拟,从而较为真实地反映了管线整体屈曲过程中受到的土体阻力变化过程。研究表明,不同土体阻力模型对管线整体屈曲分析结果影响显著,在动态阻力模型中由于土体阻力存在峰值和衰减过程,因此计算得到的管线整体屈曲临界轴力明显提高,管线屈曲变形更为集中,最大弯矩和应变也相应增大。     

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。     

穿越走滑断层海底管道局部屈曲研究及应变响应预测

海洋地震频繁且海底土体环境复杂,当地震导致断层土体发生永久变形后,穿越断层的海底埋地管道也将受迫发生变形。为确定变形后的管道能否正常工作,需根据实际工况对其进行应变响应预测。首先通过有限元计算软件ABAQUS建立管道与走滑断层的三维实体模型,模拟管-土间的接触作用并通过等效边界方法修正模型,得到管道局部屈曲破坏形式及应变分布情况。然后,通过调整有限元模型参数对断层交角、管道工作内压、管道径厚比对管道极限塑性应变的影响进行敏感性分析,定性分析不同敏感性因素对穿越走滑断层海底管道应变响应的影响。最后,在数值模拟数据的基础上通过MATLAB软件利用基于遗传算法优化的BP神经网络实现对管道应变响应的精确预测。结果表明:穿越走滑断层管道在发生局部屈曲时,可根据轴向压缩应变突变现象确定管道局部屈曲时对应的断层位移,并且断层交角、管道工作内压和管道径厚比都会对跨断层管道应变响应产生影响。