交通荷載作用下埋地管道的力學性狀研究

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1、摘要交通荷載作用下埋地管道的力學性狀研究交通荷載是埋設在路面下的管道所承受的主要活荷載之一，隨著經(jīng)濟與交通運輸業(yè)的快速發(fā)展，由交通荷載引起的埋地管道的失效與破壞問題需要引起人們更多的重視。以往對埋地管道力學性狀的研究主要集中在深埋管道的土壓力計算(靜力)和管道的地震響應(動力)等方面，較少考慮交通荷載的影響。本文在總結(jié)交通荷載的簡化模擬、埋地管道的靜力分析與動力響應等方面研究現(xiàn)狀的基礎上，采用理論分析、數(shù)值模擬和算例驗證并與現(xiàn)行規(guī)范相結(jié)合的方法，對路面車輛動荷載、埋地管道土壓力與管土相互作用、交通荷載作用下埋地管道的靜力分析和動力響應以及管道的減荷措施等方

2、面進行了研究，并結(jié)合現(xiàn)場試驗對文中的有限元模型進行了驗證。本文的主要工作與創(chuàng)新點如下：(1)采用四分之一車輛振動模型，以路面不平整為激勵，運用隨機過程理論分析了車輛隨機動荷載，探討了車輛動荷載、動載系數(shù)及其峰值的概率分布以及車速、路面狀況、車輛參數(shù)等對動載系數(shù)的影響。運用線性累積疲勞損傷理論推導了車輛對不平整路面的等效動荷載及等效動載系數(shù)的表達式，建立了車輛隨機動荷載與確定性動荷載之間的聯(lián)系，從而將車輛動載系數(shù)的確定建立在車輛隨機振動的基礎上，使動載系數(shù)的取值更加合理。(2)針對常用管道土壓力模型大都基于土柱滑動面假設的問題，在考慮管土接觸面變形協(xié)調(diào)的基礎

3、上，推導了上埋式圓形管道土壓力的彈性解，建立了管周應力與管道截面剛度之間的解析關(guān)系，為管道土壓力計算提供了一種新的選擇途徑。針對現(xiàn)行管道設計規(guī)范中管土相對剛度計算存在的問題，在考慮管土相互作用的基礎上對現(xiàn)行管道結(jié)構(gòu)設計規(guī)范中的計算方法提出了修正建議，為更準確合理地判斷管土相對剛度提供理論依據(jù)。(3)根據(jù)現(xiàn)行道路與管道設計規(guī)范建立平面和三維埋地管道的彈塑性有限元模型，將交通荷載與填土共同作用下的道路結(jié)構(gòu)、路基土體以及埋地管道作為一個相互影響的有機整體，分析了埋地管道在車輛靜載作用下管頂和管周應力以及管壁內(nèi)力的分布規(guī)律，探討了管土相對剛度、管道埋深以及車輛輪胎

4、作用位置對管道受力的影響，并將有限元分析結(jié)果與規(guī)范中的計算方法結(jié)果進行了比較。(4)根據(jù)實測車輛荷載隨時間的變化特性，將路面交通荷載簡化為不連續(xù)的半波正弦荷載，在考慮管土接觸、土體自重應力場以及路基土體彈塑性的基礎上，采用動力彈塑性有限元程序分析了單次和重復交通荷載作用下管道的動力響應規(guī)律，探討了荷載參數(shù)、道路結(jié)構(gòu)參數(shù)以及路基土體參數(shù)對埋地管道動力響應的影響。研究表明，動力車輛荷載對管道的不利影響更多地體現(xiàn)在管道的豎向振動以及在多次重復荷載作用下的累積沉降上。摘要(5)結(jié)合工程實際探討了剛、柔性埋地管道的減荷機理與減荷措施，通過建立管道減荷問題的有限元分析

5、模型，分析了在不同減荷措施下剛、柔性管道的受力性狀。研究表明，聚苯乙烯泡沫(EPS)柔性填料和控制性低強度管溝回填材料(CLSM)分別對深埋剛性管道和淺埋柔性管道具有顯著的減荷效果。關(guān)鍵詞：交通荷載，埋地管道，管土相互作用，力學性狀，減荷措施AbstractStudyonMechanicalBehaviorsofBuriedPipelinesUnderTrafficLoadsThetra銜CJoadiSoneoftheimportantJiveJoadscarriedbyburiedpipelinesunderpavementsurface．Withthe

6、rapiddevelopmentofeconomyandtransportationindustryinChina，variousproblemsofburiedpipelines，suchasdamageandfailurecausedbyvehicleloads，shouldbepaidmoreattentions．ThemostofexistingresearcSesonmechanicalbehaviorofburiedpipelineswasmainlyfocusedonaspectssuchassoilpressure(static)andse

7、ismicresponses(dynamic)ofpipelines，etc．，buttheeffectsofvehicleloadshaverarelybeeninvestigated．Inthisthesis．a(chǎn)1iteraturereviewiSfirstcarriedOUtonthestate．of-the．a(chǎn)rtofthesimplifiedmodelsoftra銜CIoads．a(chǎn)ndthestaticanddynamicanalysesofburiedpipelines．Basedontheliteraturereview,asystemati

8、cmethod，integratingtheoreticalana