管道的屈曲分析课件.ppt

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1、第四章管道的屈曲分析屈曲也称为失稳，是指结构丧失了保持其原有平衡形状的能力。由于管道的薄壁、细长的结构特性，在其受力和变形条件稍有恶化时，容易产生屈曲破坏。管道产生屈曲的原因，通常有外压作用下的弹性失稳、机械作用或管道本身缺陷造成的局部屈曲、弯曲屈曲和象“压杆”一样的纵向屈曲等。与陆上管道相比，海底管道可能更容易发生屈曲破坏，特别是在管线敷设过程中。弯曲屈曲U形屈曲双凹屈曲变平化屈曲屈曲分析的内容轴向屈曲地下埋设管道局部屈曲屈曲上浮屈曲海底埋设管道屈曲传播机械作用外压地下埋设管道关键问题：要避免稳定性降低，重要的是要恰当地计算临界载荷。直管弯曲管道曲率半径R0≥100

2、0D(可与直管用相同计算方法)曲率半径R0<1000D4-1地下管道的轴向屈曲一、直管在嵌固段，管道所受到的最大轴向力为：管道轴向稳定性的验算条件n——安全系数，可取n=0.6~0.75。Pcr——失稳临界力，N。临界载荷Pcr的计算直线管道的弯曲微分方程式各系数分别为逆解法(1)假设管道失稳时的弯曲形状为波浪形管道的挠曲线方程即为联立上述两式，可得整理，得则有可得失稳时，轴向位移与横向位移相比只是一个二阶小数，可忽略不计。即认为Ku=0,则适用于直线管道（或曲率半径R01000D的弯曲管道）。与土壤压缩抗力系数K0有较大关系土壤的压缩抗力系数K0土壤性质土壤名称K

3、0，107N/m3密度小的土壤中等密度的土壤泥煤土流砂软湿土新填砂压实砂砾石湿粘土0.05~0.10.1~0.50.1~0.50.1~0.50.5~5.00.5~5.00.5~5.0土壤密度越大，埋深越大，K0越大，临界载荷也越大。(2)假设管道失稳时为上拱弯曲形状两种失稳波形的失稳波长相差一倍，而失稳的临界轴向压力相同。二、向上弯曲管道式中:R0——计算曲率半径，m；q——管道向上位移时的土壤极限阻力，q=q0+nqcr,N/m；q0——管道所受的向下压力,q=q1+q2，N/m；q1——管子本身和管内流体重量，N/m；q2——压重物（如土壤和固定支墩）的重量或锚栓

4、对管道的拉力，N/m；n——土壤的载荷系数，n=0.8~1.2；qcr——土壤抗管道作向上的横向位移时的临界支承力，N/m。R0需通过计算求出土壤的临界支承力式中：γso——管顶填土的容重，N/m3；φ——土壤内摩擦角；C——土壤粘着力。当向上弯曲管道的轴向稳定性得不到保证时，可采用增加埋深、提高回填土密实度、设置固定墩或锚固等方法改善。土壤性质埋深三、提高管道稳定性的方法主要是提高Pcr增加埋深提高回填土密实度减小弯曲管段转角（增大曲率半径）锚固设置固定墩4-2海底管线的上浮屈曲海底（或地震液化土）覆盖土层的刚性较小，管子容易因屈曲而产生向上拱的弯曲变形，称为上浮屈

5、曲。上浮屈曲产生过量的垂直位移和塑性变形，被认为是一种失效情形。失稳时弯曲形状与第一节中讲到的地下管道有所不同。上浮屈曲的形状设管线在长度为L的部分发生屈曲，在屈曲后的长度上受到的轴向力为P轴，包括覆土层和管子及其内部介质自重的均匀荷载为q，则弯曲微分方程为：一、上浮屈曲的基本方程解出：确定出A、B、C、D，即可得到挠曲线方程L和P轴均为未知数，需要附加条件求解。临界荷载方程二、位移协调条件管道屈曲段的轴向力可表示为屈曲前的轴向力BB’（DD’）段的摩擦力BD间横向集中荷载引起的摩擦力类似书上12页（式1-22）BCD由直线变曲线的压缩量ΔL’B’C’D’由于轴向力减

6、小的伸长量ΔL’’临界载荷与屈曲长度计算两式须联立求Pcr和L。上浮屈曲长度L与温度变化存在一定的关系（与f、q也有关）三、温度变化对上浮屈曲影响不同覆盖土层载荷不同摩擦系数每根曲线最低点所对应的温升称为安全温升。安全温升随摩擦系数的增大而增大。安全温升随覆土层荷载的增大而增大。4-3压扁在冲击载荷的作用下，会产生较大的塑性变形，即被压扁。压扁的影响压扁深度大于管道直径5%时，影响清管球的通过；压扁深度大于管道直径8%时，影响管道的爆破强度；压扁处容易在疲劳载荷下产生裂纹。压扁分析的Wierzbicki（维兹比基）模式忽略了环向弯曲和轴向拉伸的塑性相互作用；忽略了弹塑

7、性变形的相互作用；忽略了应变硬化；假定冲击载荷作用于垂直于管道的平面内。塑性铰离开压头的地方，位移逐渐减小，位移模式压扁处的位移任意x点处位移4-4管道在外压作用下的稳定性对于外压作用下的管子，稳定性是必须优先考虑的因素。理想圆管的临界压力：当管子承受的外压大于临界值时，管子将不能保持圆形形状或完全坍塌。考虑实际管子不是理想的圆形，并且受环向和弯曲应力的联合作用，其临界压力值会大大减小。例：Ф273×6钢管能承受的极限外压计算结果：4-5海底管道的屈曲传播局部屈曲屈曲传播止屈措施一、局部屈曲对管子局部屈曲可定义为：管子截面扁平化或翘曲折皱超过规定的限