【摘 要】
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城市天然气管道系统是维持城市正常运行,保证城市经济高速发展的市政基础设施系统之一,贯穿于现代城市的各个角落,被形象的喻为现代工业与城市的大动脉。管道受到外界荷载影响易产生振动、变形和失稳,严重时会发生泄露、爆炸等次生事故,造成巨大的经济损失和人员伤亡。为保证天然气管道系统安全运行,对其进行振动特性及动响应分析是十分必要的。本文以城市天然气管道为研究对象,采用理论分析和数值模拟的方法,分别对天然气管
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城市天然气管道系统是维持城市正常运行,保证城市经济高速发展的市政基础设施系统之一,贯穿于现代城市的各个角落,被形象的喻为现代工业与城市的大动脉。管道受到外界荷载影响易产生振动、变形和失稳,严重时会发生泄露、爆炸等次生事故,造成巨大的经济损失和人员伤亡。为保证天然气管道系统安全运行,对其进行振动特性及动响应分析是十分必要的。本文以城市天然气管道为研究对象,采用理论分析和数值模拟的方法,分别对天然气管道的耦合振动特性、地震荷载作用下悬空管道的响应谱分析以及交通荷载作用下埋地管道的动力学响应展开研究。本文的主要研究工作如下:（1）建立了天然气直管的振动微分方程,导出了固有频率和固有振型的理论表达式。在此基础上利用Hamilton原理建立了考虑天然气压力、管径及壁厚等因素影响的管道流固耦合横向振动微分方程。并通过算例中理论计算结果和有限元模拟结果进行对比,证实了本文所采用的ANSYS Workbench有限元建模方法是切实可行的。（2）利用ANSYS Workbench有限元平台建立了悬空管道模型。通过对几种实际工程中管道约束方式的合理简化建立了三种管道约束形式,并分析了天然气压力、壁厚、管径及约束条件对管道模态的影响。研究表明:在次高压及高压条件下,天然气压力的影响不可被忽视;管径对系统模态的影响要明显大于壁厚;约束条件对系统的模态有显著影响。（3）利用ANSYS Workbench对悬空管道进行地震响应谱分析,得到了不同参数条件天然气管道在地震荷载作用下的应力和变形。研究结果显示:天然气在次高压及高压条件下,流场压力作用会对地震荷载下管道的峰值位移和应力产生较大的影响;地震荷载作用对管道横向振动的影响比轴向影响更大;增加管径及管道约束力有利于提高管道系统的抗震性能。（4）为了真实模拟交通荷载对埋地管道力学性状的影响,本文对多层道路结构进行三维建模,用稳态交通载荷来模拟交通荷载,并利用Drucker-Prager本构模型来模拟土体的弹塑性状态,得到不同轮压、车速和路面老化程度对埋地管道力学特性的影响规律。研究表明,在稳态交通荷载作用下,管道的响应也呈周期性波动;埋地管道的竖向变形及应力随着轮压增加而显著增大;车速和路面老化对埋地管道等效应力的影响较大,对竖向位移影响较小。本文研究方法和成果可对城市天然气管道系统的结构优化及设计提供一定的参考。
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