地震作用下埋地供水管道土-管-水耦合动力学模型研究

摘要

城市生命线工程的主要组成部分埋地供水管道，关系着人们的日常生产生活的质量。而我国处在地震带上地震频发。在地震激励下，埋地供水管道发生破坏，并衍生地震次生灾害，对人们的生命财产造成严重威胁。因此提高埋地供水管道的抗震性能，保证供水管道的正常运行，具有很高的理论研究价值和极大的现实意义。本文在管-土作用模型和管-液流固耦合模型的基础上，对地震作用下埋地供水管道土-管-水的耦合作用动力学模型深入研究，并进行ADINA数值模拟验证研究的可靠性。本文的主要研究内容和分析结果如下:
　　1、忽略管道中水的作用，考虑地震作用下埋地管道管-土作用，推导了地震作用下埋地管道的动力学模型轴向应力计算式;忽略埋地供水管道中土体对管道的作用，用行波的方法考虑地震作用下供水管道的流固耦合作用，推导出地震作用下供水管道的流固耦合动力学模型轴向应力计算式;在地震作用下埋地管道的动力学模型、地震作用下供水管道的流固耦合动力学模型的基础上，用行波的方法研究了地震作用下埋地供水管道土-管-水耦合作用，创造性地提出了地震作用下埋地供水管道土-管-水耦合动力学模型轴向应力计算式。
　　2、用ADINA有限元软件建立地震作用下埋地管道管-土模型，并计算了管-土模型在不同管径、壁厚、埋置深度情况下的管道轴向应力。在此管-土模型中，当地震波的地震烈度为Ⅷ度时，管道轴向应力随着管径的增大而增大，管径为1400mm时其轴向应力较管径600mm时的轴向应力增大23.16％;管-土模型中管道轴向应力随着壁厚增加而减小，管道壁厚为5mm时其轴向应力较壁厚为25mm时大35.77％;随着管道埋置深度的加深，管道所受的轴向应力先增大后减小，管道的轴向应力在埋深为2m和3m时达到最大，为2.85MPa。
　　3、用ADINA有限元软件建立地震下埋地供水管道土-管-水模型，并计算了土-管-水模型在不同管径、壁厚、埋置深度情况下管道轴向应力。发现土-管-水模型的轴向应力变化规律与管-土模型的轴向应力变化规律基本一致。在此土-管-水模型中，当地震波的地震烈度为Ⅷ度时，管道轴向应力随着管径的增大而增大，轴向应力从管径为600mm的3.01MPa增大到管径为1400mm的4.00MPa;随着管-土模型的壁厚增加，管道所受的轴向应力逐渐减小，轴向应力从壁厚为5mm的3.53MPa减小到壁厚为25mm的2.78MPa;管道的轴向应力随着埋置深度的增大而逐渐增大，轴向应力从埋深为0.5m的2.84MPa增大到埋深为4m的3.19MPa。
　　4、对比地震作用下管-土模型与地震作用下土-管-水模型计算结果，发现不同管径、壁厚、埋置深度情况下土-管-水模型的轴向应力要大于管-土模型的轴向应力。管-土模型中管道轴向应力波动比较严重，而土-管-水模型中管道的轴向应力随着地震的变化比较平缓。
　　5、结合工程实例，发现在抗震设计中，用管-土模型进行管道轴向应力设计结果比用土-管-水模型设计结果小，因此在抗震设计中不能忽略地震中动水压力的影响。
　　本文所得结论可为分析土-管-水耦合作用的埋地供水管道结构的伤损机理和伤损发展机制提供理论基础，以供解决埋地供水管道安全运营中与地震灾害有关的理论问题。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究历史及现状

1．2．1 管-土理论模型研究

1．2．2 管土相互作用模型

1．2．3 管-水流固耦合理论模型

1．2．4 管-水流固耦合作用模型

1．2．5 土-管-水耦合理论模型研究

1．3 研究内容和方法

1．4 技术路线

第2章 地震作用下埋地供水管道土-管-水耦合作用动力学模型理论研究

2．1 地震作用下管-土动力学模型

2．1．1 管-土模型管道的应力分析

2．1．2 管-土模型动力学研究

2．2 地震作用下流固耦合动力学模型

2．2．1 流固耦合一般理论

2．2．2 土-管-水动力学模型研究

2．3 地震作用下土-管-水耦合动力学模型建立

2．4 本章小结

第3章 管-土作用与土-管-水耦合作用数值模型建立

3．1 ADINA软件介绍

3．1．1 建模方式

3．1．2 主要模块功能

3．1．3 建模基本步骤

3．1．4 管-土接触计算

3．1．5 流固耦合计算

3．2 地震作用下管-土数值模型建立

3．2．1 建模的基本假设

3．2．2 建模的基本步骤

3．2．3 模型参数说明

3．3 地震作用下土-管-水耦合数值模型建立

3．3．1 建模的基本假设

3．3．2 建模的基本步骤

3．3．3 模型参数说明

3．4 本章小结

第4章 地震作用下埋地供水管道轴向应力变化规律研究

4．1 基于管-土模型管道轴向应力计算分析

4．1．1 管径对轴向应力的影响

4．1．2 壁厚对轴向应力的影响

4．1．3 埋深对轴向应力的影响

4．2 基于土-管-水耦合模型轴向应力计算分析

4．2．1 管径对轴向应力的影响

4．2．2 壁厚对轴向应力的影响

4．2．3 埋深对轴向应力的影响

4．3 管-土模型与土-管-水耦合模型轴向应力对比分析

4．3．1 管径对轴向应力的影响

4．3．2 壁厚对轴向应力的影响

4．3．3 埋深对轴向应力的影响

4．4 本章小结

第5章 地震作用下埋地供水管道抗震实例分析

5．1 工程基本情况

5．2 管-土模型轴向应力计算

5．2．1 管-土动力学模型轴向应力理论计算

5．2．2 ADINA管-土模型轴向应力数值计算

5．3 土-管-水模型轴向应力计算

5．3．1 土-管-水动力学模型轴向应力理论计算

5．3．2 ADINA土-管-水模型轴向应力数值计算

5．4 管-土模型与土-管-水耦合模型轴向应力对比分析

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 本文的研究成果

6．2 展望

致谢

参考文献