钢岔管极限承载力分析与整体安全评估研究

摘要

压力管道是水利工程中重要的输水建筑物，当压力管道输水供应多台机组时，需要设置钢岔管。钢岔管靠近厂房，一旦发生破坏事故，将危及厂房和人员的安全，造成重大的经济损失和人员伤亡，因此保证钢岔管的整体承载安全非常必要。本文基于结构极限分析的弹性模量缩减法，系统性地开展钢岔管极限承载力分析方法与整体安全评估研究。主要内容如下:
　　(1)提出了钢岔管极限上限分析的弹性模量缩减法。该方法确定表征单元承载状态的板壳结构的单元承载比，建立了基于变形能守恒原则的弹性模量缩减策略，结合线弹性迭代分析获得逼近结构塑性极限状态的失效模式。同时，根据极限分析的上限定理确定极限荷载乘子，进而在结构失效模式上构造出钢岔管极限上限分析的迭代计算方法。该方法克服了EMRM下限分析方法求解钢岔管极限承载力存在的计算精度不佳的问题。
　　(2)提出了钢岔管极限承载力分析的基准体法。该方法根据钢岔管的受力特性，确定了基准体失效排序策略。然后考虑钢岔管整体破坏和局部破坏极限状态时的失效模式特性，提出失效单元的选取原则。从而建立了钢岔管的基准体选取方法。进而在钢岔管极限上限分析的弹性模量缩减法的基础上，建立钢岔管极限承载力分析的基准体法。该方法为求解钢岔管极限承载力提供了高效的途径。
　　(3)提出了钢岔管极限承载力分析的快速估算方法。首先，对钢岔管结构分析模型进行第一次线弹性分析，确定迭代首步各个单元的单元失效系数，根据结构的基准失效系数选取原则，确定迭代首步钢岔管的基准失效系数，并根据迭代首步的单元失效系数和基准失效系数进行弹性模量的缩减，使钢岔管发生内力重分布，模拟结构的失效演化。然后，进行第二次线弹性分析，再次确定单元失效系数和基准失效系数，将单元失效系数大于基准失效系数的单元选为参与塑性流动的单元，进而根据功能互等原理确定钢岔管极限承载力的估计值。该估算方法仅需要两次线弹性分析，实现了钢岔管极限承载力的快速估算。克服了结构极限承载力分析的弹塑性增量分析法需要设置复杂的加载过程和进行多次增量迭代分析等不足，为钢岔管初步设计阶段钢岔管极限承载力的快速合理的确定提供了一种高效的途径。
　　(4)初步建立了钢岔管整体安全评估方法。针对我国压力钢管现行规范NB/T35056-2015中基于点层面安全系数评估方法的局限性，采用等效安全系数法求解钢岔管点层面安全系数限值，再依据美国压力容器规范ASMEⅧ-2-2010中压力容器整体层面安全系数限值与点层面安全系数限值的比值，结合我国钢岔管工程应用情况，提出了适用于我国水电站钢岔管结构安全评估的整体层面安全系数限值的推荐取值方案。在此基础上，综合本文所提出的钢岔管极限承载力分析方法，初步建立了基于极限承载力分析的钢岔管整体安全评估方法，为推进水利水电工程钢岔管安全评估与设计的创新与改进提供了科学依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与研究意义

1．2 钢岔管布置形式、结构形式和受力特性

1．2．1 钢岔管的基本布置形式

1．2．2 钢岔管的结构形式

1．2．3 钢岔管的受力特征

1．2．4 钢岔管的失效模式

1．3 钢岔管的安全评估方法研究现状

1．3．1 准则法

1．3．2 应力分类法

1．3．3 概率极限状态法

1．3．4 基于极限承载力的评估法

1．4 钢岔管极限承载力分析方法研究现状

1．4．1 工程结构极限承载力分析方法

1．4．2 弹性模量调整法

1．4．3 基准体法

1．5 研究内容

1．5．1 主要研究内容

1．5．2 拟解决的关键问题和主要创新点

1．5．3 技术路线

2．1 引言

2．2 钢岔管极限上限分析的弹性模量缩减法

2．2．1 单元承载比

2．2．2 弹性模量调整策略

2．2．3 上限荷载乘子

2．2．4 上限方法与下限方法的区别

2．3 考虑材料应变硬化效应的钢岔管极限上限分析的弹性模量缩减法

2．3．1 基于应变能等效原则的等效理想弹塑性模型

2．3．2 基于完整应力-应变数据的等效屈服强度求解

2．3．3 碳素钢Q235B的等效理想弹塑性模型

2．4 EMRM上限法的准确性验证

2．4．1 计算实例与基本参数

2．4．2 有限元模型的建立

2．4．3 材料应变硬化效应对极限承载力的影响

2．5 算例分析

2．5．1 理想弹塑性本构的板壳结构

2．5．2 考虑材料应变硬化的板壳结构

2．6 本章小结

3．1 引言

3．2 钢岔管极限承载力分析的基准体法

3．2．1 单元承载比和弹性模量调整策略

3．2．2 钢岔管极限承载力求解

3．2．3 失效排序策略

3．2．4 失效单元选取原则

3．3 考虑材料应变硬化效应的钢岔管极限承载力分析的基准体法

3．3．1 基于三参数的等效屈服强度求解

3．3．2 碳素钢Q235B的等效理想弹塑性模型

3．4 基准体法的准确性验证

3．4．1 计算实例

3．4．2 有限元模型的建立

3．4．3 材料应变硬化效应对极限承载力的影响

3．5 算例分析

3．5．1 理想弹塑性本构的板壳结构

3．5．2 考虑材料应变硬化的板壳结构

3．6 本章小结

第四章 钢岔管极限承载力分析的估算方法

4．1 引言

4．2 钢岔管极限承载力分析的估算方法

4．2．1 单元失效系数

4．2．2 基准失效系数

4．2．3 钢岔管的弹模调整策略和极限荷载乘子

4．2．4 刚架结构的极限荷载乘子

4．3 算例分析

4．3．1 刚架结构

4．3．2 板壳结构

4．4 本章小结

第五章 钢岔管整体安全评估的初步研究

5．1 引言

5．2 安全系数限值的选取

5．2．1 点层面安全系数限值

5．2．2 整体层面安全系数限值

5．3 钢岔管的极限承载力求解

5．4 钢岔管的整体安全评估

5．4．1 基本步骤

5．4．2 整体安全评估流程

5．5 工程实例分析

5．5．1 理想弹塑性本构的无梁岔管

5．5．2 考虑应变硬化效应的无梁岔管

5．6 三种极限承载力分析方法的对比

5．7 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 研究工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间成果发表情况

攻读学位期间参与的科研项目