土体滑坡作用下钢丝缠绕增强塑料复合管力学行为研究

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钢丝缠绕增强塑料复合管(PSP)作为一种钢塑复合压力管道具有优良性能,其以高密度聚乙烯(high density polyethylene,简称HDPE)作为基体,内外两层高强度钢丝以不同缠绕角度螺旋成网状骨架作为其增强体,基体与钢丝网之间采用热熔胶粘合形成一个整体。PSP管道兼具钢丝的高强度特性与HDPE的耐腐蚀特性及柔韧性。因此在一些极端的工况下PSP能够承受较大的外部载荷与高内压。近年来随着PSP在油气、矿浆、化工原料、淡水输送等领域的广泛应用,关于PSP力学性能的研究也越来越多。然而极端工况下埋地PSP管道的研究还鲜有报道。地震或极端天气造成的土体滑坡是埋地管道遭遇的主要极端工况。该类极端工况极大地影响了管道的安全运营,所产生的事故对人类生命与财产安全构成了严重威胁,因此有必要研究土体滑坡作用下PSP的力学性能,以提升PSP管道系统运营的安全性。本文对土体滑坡作用下钢丝缠绕增强塑料复合管力学行为展开研究,主要研究内容如下:(1)PSP原材料力学性能及压扁试验研究。本文首先通过不同应变速率下的单轴拉伸试验获得聚乙烯的工程应力应变曲线,基于Suleiman双曲本构模型推导出滑坡速率下聚乙烯的真实应力-应变关系。通过单轴拉伸试验和数字图像相关法(简称DIC)得到钢丝的应力—应变关系曲线。由于压扁加载作用下PSP变形失效形式与滑坡作用下PSP的变形失效非常相似,本文开展DIC监测下的PSP压扁试验,结合PSP压扁有限元分析结果,提出滑坡作用下埋地PSP管道的失效判据。(2)建立土体滑坡作用下钢丝缠绕增强塑料复合管力学分析模型。对土体滑坡位移载荷进行简化,得到四次方曲线方程,将其导入ABAQUS软件作为载荷边界条件施加至PSP-土体模型上。为降低计算成本,提升效率,PSP模型采用truss单元模拟钢丝网格结构,以实体单元模拟HDPE。钢丝与HDPE两种材料都考虑了材料非线性,其力学性能由真实应力应变曲线表征。有限元模型中土体采用三维实体单元与无限边界单元模拟,土体与PSP之间采用摩擦接触进行关联。有限元模型考虑了几何大变形的影响,分析结果表明土体滑坡作用下埋地PSP失效的主要原因是管道横截面的过度变形。基于模型分析了滑坡速率与PSP结构参数对失效行为的影响。(3)基于几种常见的PSP缺陷讨论了缺陷对PSP失效的影响,缺陷类型有:钢丝分布不均匀、管道截面椭圆度以及外层PE缺损。计算后发现钢丝分布不均匀会引起钢丝应力大幅上升。椭圆度缺陷对PSP的力学性能影响与其掩埋时的摆放位置有关,椭圆长轴与地平线平行时,PE层的屈服失效需要更大的最大偏转位移;长轴与地平线垂直时,PE层的屈服失效需要更大的最大偏转位。外层减薄对基体层屈服失效影响不大,但会引起钢丝应力增大。
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