基于流固耦合理论的埋地供水管道地震反应分析

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埋地供水管线作为城市的大动脉,关乎城市日常生产生活的方方面面,保障其安全运行的重要性不言而喻。我国属于地震频发国,一旦城市遭遇震害,埋地供水管道极易在地震的影响下产生变形甚至是发生破坏,从而引发震区次生灾害。以往的埋地管道抗震模型研究主要围绕管土间的相互作用展开,而忽略了管内流体和管道的相互作用对管道抗震的影响。鉴于此,本文以流固耦合理论为基础,建立了埋地供水管道流固耦合模型,分析了模型的地震反应,主要研究工作有以下几点:(1)首先通过归纳及分析埋地管道静力学模型和地震作用下的动力学模型,结合管土相互作用理论,以拟静力法和地震波波动理论为基础,推导出了不考虑流固耦合的埋地供水管道在地震作用下的轴向应力、横向应力和组合应力数学计算模型。基于该模型,结合流固耦合振动方程,运用简化后的附加质量法推导出了与管道自振频率有关的供水管道流固耦合受振位移反应方程,以及利用变分法原理推导了供水管道流固耦合有限元基本控制方程。(2)其次依据流固耦合有限元理论,运用ANSYS Workbench软件建立了地震作用下埋地供水管道的管水流固耦合模型,尝试采用四面体单元代替六面体单元生成管内流体区域网格。模型后处理结果显示当地震波加速度达到峰值时,管道总变形与应力均达到最大值:总变形最大值为1.125 1 mm,位于管道中部;等效应力达到最大值为45.45 MPa,轴向应力最大值为67.652 MPa,横向应力最大值为22.128 MPa,均位于管道出口端。(3)最后通过算例分析了无水管道、不考虑流固耦合的供水管道和流固耦合供水管道模型的应力的最大值对比结果,并基于管水流固耦合模型探究了不同流速、工作压力、埋深、管径、壁厚等参数下供水管道受震时的等效应力响应情况,结果表明:水的存在会使管道所受等效应力增大1.97倍,流固耦合效应会使供水管道所受等效应力降低154%,管道的等效应力随管道的埋深、壁厚和工作压力的增大而增大,不受管内流体流速的影响,随管径的增大先增大后减小,在同等条件下DN800管道的等效应力最小,最小值为34.711 MPa,抗震性能最佳。以上研究结论可以为流固耦合理论研究或对埋地供水管道模型优化提供参考,可以对现行的埋地管道抗震设计规范作补充,也可为埋地输油、输气等压力流管道的抗震设计提供借鉴。
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