管道的屈曲分析課件

第四章管道的屈曲分析屈曲也稱為失穩(wěn)，是指結(jié)構(gòu)喪失了保持其原有平衡形狀的能力。由于管道的薄壁、細(xì)長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)特性，在其受力和變形條件稍有惡化時(shí)，容易產(chǎn)生屈曲破壞。管道產(chǎn)生屈曲的原因，通常有外壓作用下的彈性失穩(wěn)、機(jī)械作用或管道本身缺陷造成的局部屈曲、彎曲屈曲和象“壓桿”一樣的縱向屈曲等。與陸上管道相比，海底管道可能更容易發(fā)生屈曲破壞，特別是在管線敷設(shè)過(guò)程中。第四章管道的屈曲分析屈曲也稱為失穩(wěn)，是指結(jié)構(gòu)喪失了保持其彎曲屈曲U形屈曲雙凹屈曲變平化屈曲管道的屈曲分析ppt課件屈曲分析的內(nèi)容軸向屈曲地下埋設(shè)管道局部屈曲屈曲上浮屈曲海底埋設(shè)管道屈曲傳播機(jī)械作用外壓地下埋設(shè)管道關(guān)鍵問(wèn)題：要避免穩(wěn)定性降低，重要的是要恰當(dāng)?shù)赜?jì)算臨界載荷。屈曲分析的內(nèi)容軸向屈曲地下埋設(shè)管道局部屈曲屈曲上浮屈曲海底埋直管彎曲管道曲率半徑R0≥1000D(可與直管用相同計(jì)算方法)曲率半徑R0<1000D4-1

地下管道的軸向屈曲直管4-1地下管道的軸向屈曲一、直管在嵌固段，管道所受到的最大軸向力為：管道軸向穩(wěn)定性的驗(yàn)算條件

n——安全系數(shù)，可取n=0.6~0.75。Pcr——失穩(wěn)臨界力，N。一、直管在嵌固段，管道所受到的最大軸向力為：管道軸向穩(wěn)定性的臨界載荷Pcr的計(jì)算直線管道的彎曲微分方程式各系數(shù)分別為臨界載荷Pcr的計(jì)算直線管道的彎曲微分方程式各系數(shù)分別為逆解法

(1)假設(shè)管道失穩(wěn)時(shí)的彎曲形狀為波浪形管道的撓曲線方程即為逆解法

(1)假設(shè)管道失穩(wěn)時(shí)的彎曲形狀為波浪形管道的撓曲線方聯(lián)立上述兩式，可得整理，得則有可得聯(lián)立上述兩式，可得整理，得則有可得失穩(wěn)時(shí)，軸向位移與橫向位移相比只是一個(gè)二階小數(shù)，可忽略不計(jì)。即認(rèn)為Ku=0,則適用于直線管道（或曲率半徑R0

1000D的彎曲管道）。

與土壤壓縮抗力系數(shù)K0有較大關(guān)系失穩(wěn)時(shí)，軸向位移與橫向位移相比只是一個(gè)二階小數(shù)，可忽略不計(jì)。土壤的壓縮抗力系數(shù)K0土壤性質(zhì)土壤名稱K0，107N/m3密度小的土壤中等密度的土壤

泥煤土流砂軟濕土新填砂壓實(shí)砂礫石濕粘土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，臨界載荷也越大。土壤的壓縮抗力系數(shù)K0土壤性質(zhì)土壤名稱K0，107N/m3密(2)假設(shè)管道失穩(wěn)時(shí)為上拱彎曲形狀兩種失穩(wěn)波形的失穩(wěn)波長(zhǎng)相差一倍，而失穩(wěn)的臨界軸向壓力相同。(2)假設(shè)管道失穩(wěn)時(shí)為上拱彎曲形狀兩種失穩(wěn)波二、向上彎曲管道式中:

R0——計(jì)算曲率半徑，m；

q——管道向上位移時(shí)的土壤極限阻力，q=q0

+

nqcr,N/m；

q0——管道所受的向下壓力,q=q1+

q2，N/m；

q1——管子本身和管內(nèi)流體重量，N/m；

q2——壓重物（如土壤和固定支墩）的重量或錨栓對(duì)管道的拉力，N/m；n

——土壤的載荷系數(shù)，n=0.8~1.2；

qcr——土壤抗管道作向上的橫向位移時(shí)的臨界支承力，N/m。R0需通過(guò)計(jì)算求出二、向上彎曲管道式中:R0需通過(guò)計(jì)算求出土壤的臨界支承力式中：γso——管頂填土的容重，N/m3；

φ——土壤內(nèi)摩擦角；

C——土壤粘著力。當(dāng)向上彎曲管道的軸向穩(wěn)定性得不到保證時(shí)，可采用增加埋深、提高回填土密實(shí)度、設(shè)置固定墩或錨固等方法改善。

土壤性質(zhì)埋深土壤的臨界支承力式中：γso——管頂填土的容重，N/m3；三、提高管道穩(wěn)定性的方法主要是提高Pcr

增加埋深提高回填土密實(shí)度減小彎曲管段轉(zhuǎn)角（增大曲率半徑）錨固設(shè)置固定墩三、提高管道穩(wěn)定性的方法主要是提高Pcr4-2海底管線的上浮屈曲海底（或地震液化土）覆蓋土層的剛性較小，管子容易因屈曲而產(chǎn)生向上拱的彎曲變形，稱為上浮屈曲。上浮屈曲產(chǎn)生過(guò)量的垂直位移和塑性變形，被認(rèn)為是一種失效情形。失穩(wěn)時(shí)彎曲形狀與第一節(jié)中講到的地下管道有所不同。4-2海底管線的上浮屈曲海底（或地震液化土）覆蓋土層的剛性上浮屈曲的形狀設(shè)管線在長(zhǎng)度為L(zhǎng)的部分發(fā)生屈曲，在屈曲后的長(zhǎng)度上受到的軸向力為P軸，包括覆土層和管子及其內(nèi)部介質(zhì)自重的均勻荷載為q，則彎曲微分方程為：一、上浮屈曲的基本方程上浮屈曲的形狀設(shè)管線在長(zhǎng)度為L(zhǎng)的部分發(fā)生屈曲，解出：確定出A、B、C、D，即可得到撓曲線方程解出：確定出A、B、C、D，即可得到撓曲線方程L和P軸均為未知數(shù)，需要附加條件求解。臨界荷載方程L和P軸均為未知數(shù)，需要附加條件求解。臨界荷載方程二、位移協(xié)調(diào)條件管道屈曲段的軸向力可表示為屈曲前的軸向力BB’（DD’）段的摩擦力BD間橫向集中荷載引起的摩擦力類似書(shū)上12頁(yè)（式1-22）BCD由直線變曲線的壓縮量ΔL’B’C’D’由于軸向力減小的伸長(zhǎng)量ΔL’’二、位移協(xié)調(diào)條件管道屈曲段的軸向力可表示為屈曲前的軸向力BB臨界載荷與屈曲長(zhǎng)度計(jì)算兩式須聯(lián)立求Pcr和L。上浮屈曲長(zhǎng)度L與溫度變化存在一定的關(guān)系（與f、q也有關(guān)）臨界載荷與屈曲長(zhǎng)度計(jì)算兩式須聯(lián)立求Pcr和L。上浮屈曲長(zhǎng)度L三、溫度變化對(duì)上浮屈曲影響不同覆蓋土層載荷不同摩擦系數(shù)每根曲線最低點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫升稱為安全溫升。安全溫升隨摩擦系數(shù)的增大而增大。安全溫升隨覆土層荷載的增大而增大。三、溫度變化對(duì)上浮屈曲影響不同覆蓋土層載荷不同摩擦系數(shù)每根曲4-3

壓扁

在沖擊載荷的作用下，會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形，即被壓扁。

4-3壓扁在沖擊載荷的作用下，會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形，壓扁的影響壓扁深度大于管道直徑5%時(shí)，影響清管球的通過(guò)；壓扁深度大于管道直徑8%時(shí)，影響管道的爆破強(qiáng)度；壓扁處容易在疲勞載荷下產(chǎn)生裂紋。壓扁的影響壓扁深度大于管道直徑5%時(shí)，影響清管球的通過(guò)；壓扁分析的Wierzbicki（維茲比基）模式

忽略了環(huán)向彎曲和軸向拉伸的塑性相互作用；忽略了彈塑性變形的相互作用；忽略了應(yīng)變硬化；假定沖擊載荷作用于垂直于管道的平面內(nèi)。塑性鉸壓扁分析的Wierzbicki（維茲比基）模式忽略了環(huán)向彎離開(kāi)壓頭的地方，位移逐漸減小，位移模式壓扁處的位移任意x點(diǎn)處位移離開(kāi)壓頭的地方，位移逐漸減小，位移模式壓扁處的位移任意x點(diǎn)處4-4

管道在外壓作用下的穩(wěn)定性

對(duì)于外壓作用下的管子，穩(wěn)定性是必須優(yōu)先考慮的因素。理想圓管的臨界壓力：當(dāng)管子承受的外壓大于臨界值時(shí)，管子將不能保持圓形形狀或完全坍塌?？紤]實(shí)際管子不是理想的圓形，并且受環(huán)向和彎曲應(yīng)力的聯(lián)合作用，其臨界壓力值會(huì)大大減小。4-4管道在外壓作用下的穩(wěn)定性對(duì)于外壓作用下的管子，穩(wěn)定例：Ф273×6鋼管能承受的極限外壓計(jì)算結(jié)果：例：Ф273×6鋼管能承受的極限外壓計(jì)算結(jié)果：4-5

海底管道的屈曲傳播

局部屈曲屈曲傳播止屈措施4-5海底管道的屈曲傳播局部屈曲一、局部屈曲對(duì)管子局部屈曲可定義為：管子截面扁平化或翹曲折皺超過(guò)規(guī)定的限度?？紤]到實(shí)際管子存在殘余的橢圓度，而且管子在壓潰前還可能已產(chǎn)生顯著的塑性變形。那么，管道的失穩(wěn)的臨界外壓應(yīng)是材料屈服極限的函數(shù)。一、局部屈曲對(duì)管子局部屈曲可定義為：管子截面扁平化或翹曲折皺考慮到實(shí)際管子屈曲是壓力、軸向力、彎曲以及管子不圓等因素綜合的結(jié)果。

管子受外壓和彎矩聯(lián)合作用時(shí)的近似表達(dá)式為：Mcr和pcr分別是管道單獨(dú)受彎曲和外壓時(shí)的臨界值。考慮到實(shí)際管子屈曲是壓力、軸向力、彎曲以及管子不圓等二、屈曲傳播管道的局部屈曲可以傳播，傳播的速度異常迅速，屈曲傳播的長(zhǎng)度有幾百米至上千米。屈曲傳播的方向：沿著管子軸向發(fā)生的。屈曲傳播的原因及特點(diǎn)：主要來(lái)源于靜水壓力，徑厚比大（薄壁）的管子易誘發(fā)屈曲傳播。屈曲傳播的發(fā)生條件：存在局部屈曲，且管子敷設(shè)深度靜水壓力大于屈曲傳播壓力時(shí)。屈曲傳播規(guī)律：一直傳播到水深小于傳播壓力對(duì)應(yīng)的深度為止。二、屈曲傳播管道的局部屈曲可以傳播，傳播的速度異常迅速，屈曲只產(chǎn)生彎曲屈曲屈曲傳播屈曲傳播停止也就是說(shuō)，一旦造成管道起始屈曲，肯定發(fā)生屈曲傳播。只產(chǎn)生彎曲屈曲屈曲傳播屈曲傳播停止也就是說(shuō)，一旦造成管道起始管道的屈曲傳播壓力的確定（試驗(yàn)和理論研究）

傳播壓力只取決于屈服極限和徑厚比。BattelleDNV管道的屈曲傳播壓力的確定（試驗(yàn)和理論研究）傳播壓力只屈曲傳播的控制加大全線管壁厚度：可行，但不經(jīng)濟(jì)管道局部加厚，或采用止屈器，使屈曲傳播只限于兩止屈器之間。

屈曲現(xiàn)象是屈曲發(fā)生以后才開(kāi)始的，因此，防止和控制局部屈曲的發(fā)生也就自然限制了屈曲的傳播。屈曲傳播的控制加大全線管壁厚度：可行，但不經(jīng)濟(jì)管道的屈曲分析ppt課件a）活動(dòng)式（套筒式）屈曲限制器；b）厚壁管筒式（或整體式）屈曲限制器；c）焊接固定式屈曲限制器。

3、止屈器

a）活動(dòng)式（套筒式）屈曲限制器；3、止屈器本章小結(jié)幾種常見(jiàn)的屈服形式有：軸向屈曲、上浮屈曲、壓扁、外壓下的屈曲、屈曲傳播等；陸上管道的屈曲驗(yàn)算的安全系數(shù)取0.60~0.75;在陸地管道的屈曲分析中需要考慮土壤剛度的影響；按考慮管道的彎曲曲率和不考慮管道的彎曲曲率兩種情形考慮。海底管道的上浮屈曲中存在安全溫升；管道有臨界外壓；在外壓下，局部屈曲管道會(huì)發(fā)生屈曲傳播，分別存在屈曲起始?jí)毫颓鷤鞑毫?，屈曲起始?jí)毫Υ笥谇鷤鞑毫Γ蝗N形式的止屈器。本章小結(jié)幾種常見(jiàn)的屈服形式有：軸向屈曲、上浮屈曲、壓扁、外壓第一章地下管道埋地管道所受載荷（永久、可變、偶然）。掌握管道的環(huán)向應(yīng)力計(jì)算方法（薄壁、厚壁）掌握輸油、輸氣管道壁厚設(shè)計(jì)公式（設(shè)計(jì)系數(shù)取值）掌握屈服強(qiáng)度概念，了解幾種強(qiáng)度級(jí)別管道的規(guī)定最低屈服極限。管道產(chǎn)生軸向應(yīng)力或變形的原因，掌握埋地直管段中的軸向應(yīng)力計(jì)算掌握埋地管道中的固定支墩的作用，理解應(yīng)從哪幾個(gè)方面進(jìn)行固定支墩的設(shè)計(jì)計(jì)算（受力平衡、抗傾覆、地耐壓）理解管道中彎曲應(yīng)力計(jì)算，其大小與彎曲半徑的關(guān)系了解三通的幾種加工方式，理解等面積補(bǔ)強(qiáng)法會(huì)分析管道中某一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)（何種原因產(chǎn)生何種應(yīng)力分量），掌握進(jìn)行管道中組合應(yīng)力校核的方法（第三、第四強(qiáng)度理論，例題）第一章地下管道第二章地上管道地上管道的支承形式地上管道的載荷掌握管道跨度設(shè)計(jì)計(jì)算思路及方法

理論基礎(chǔ)——連續(xù)梁；

設(shè)計(jì)條件——強(qiáng)度條件（塑形）

剛度條件（反坡、不反坡）理解平面管系的熱應(yīng)力計(jì)算（