CN114444229A - 一种穿越公路管段承载能力分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种穿越公路管段承载能力分析方法，步骤如下：目标管段、公路和通行车辆基础资料收集；建立车辆‑路面模型和管‑土模型，模拟车辆碾压作用下管道的动态应力变化过程，得到管道应力与车辆载重关系式；计算管道安全屈服强度，确定当前管道极限承载能力；最后量化管道能够承受的极限车辆载重，建立穿越公路管段超载预警指标评价体系。本发明能够更真实有效地模拟车辆碾压通过穿越公路管道时的动态应力响应过程；能够模拟量化管道在安全运行状态下极限承载能力；能够得出不同因素对管道的影响规律；建立穿越公路管段超载预警指标评价体系；为穿越公路管段的安全运营提供最优方案，对保证管道安全正常运行具有重要的指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及油气管道结构安全技术领域，特别涉及一种穿越公路管段承载能力分析方法。
背景技术
车辆载荷是穿越公路管道作用最频繁和最主要的活载荷之一。车轮力通过路面传递到埋地管道，会造成管道应力急剧增加。对于穿越省道或部分早期建设管道，通常缺少套管、箱涵等防护措施。穿越公路管段长期受到车辆碾压作用，存在较多安全运行隐患。在重车碾压作用下，穿越公路管段极易发生位移和变形等失效行为。目前又缺乏有效的方法或手段来确定管道安全状态和极限承载能力。随着对管道可靠性和安全性要求的提高，有必要对车辆载荷作用下穿越公路管道极限承载能力进行深入研究，从而防止管道变形、断裂等失效事故发生，直接提升穿越公路管道安全运行能力。
目前，国内外尚未形成统一的穿越公路管段承载能力分析评价方法。大都采用现场实验或单一的有限元软件进行模拟仿真，存在以下缺点：
1、实验测试法成本高、实验手段单一。难以复现实际现场条件和开展不同影响因素条件下复杂实验；
2、有限元软件模拟法通常是利用单一的有限元软件对管道进行模拟仿真。车轮力通常视为静载荷，而忽略了真实的车辆运行状态或动态车轮力对管道的影响；
3、目前的研究都是基于车辆载重等影响因素对管道动力响应进行的规律性研究，而没有量化和形成管道极限承载能力分析方法，缺少实际应用价值。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种穿越公路管段承载能力分析方法。该方法克服了现有技术缺陷，考虑了车辆运动状态，能够在复杂多变的工况下对管道承载能力进行量化研究。采用ADAMS软件和ABAQUS软件进行动态联合模拟，获取车辆碾压作用下管道动态应力响应过程。进而分析得出管道极限承载能力，制定管道超载预警指标，对通行车辆进行监控，保证管道安全运营。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种穿越公路管段承载能力分析方法，包括以下步骤：
S1、收集穿越公路管段基础信息，包括管道尺寸、埋深、路面等级、最大通行车辆型号及载重等信息。
S2、根据实际通行车辆和公路参数利用ADAMS软件建立车辆-路面模型。所述车辆模型主要由驾驶室、转向装置、车体、板簧、驱动轴、车轮和发动机等子系统组成。然后根据车辆载重、车速等行驶条件，模拟车辆行驶过程，提取所述过程车轮力。
S3、根据现场穿越路段基本信息利用ABAQUS软件建立管-土模型。将所述车轮力导入管-土模型中，利用动态显示的求解方法模拟埋地管道在车辆碾压过程中动态应力变化规律。
作为选优，管材本构模型选用线弹性材料模型，线弹性模型的关系式为：
σ＝Eε (1)
式中：σ为材料应力，Pa；E为材料弹性模量，Pa；ε为材料应变。
作为选优，管道模型选用各项同性模型，该模型服从Von-Mises屈服准则，可以准确的描述钢制管道在动态冲击下的强度和变形。所述屈服准则为：
式中：Sij为偏应力张量；αij为背应力张量；σy为屈服应力，Pa。
S4、改变车辆载重，模拟所述车辆载重对管道应力的影响规律。绘制车辆载重与管道应力关系曲线，根据所述关系曲线拟合得到管道应力与车辆载重关系式。
S5、根据穿越段地区等级和公路类型求解管道安全屈服强度。所述管道安全屈服强度计算方法为：
σu＝ησs (3)
式中：σu为管道安全屈服强度，MPa；σs为管材屈服强度，MPa；η为管道强度设计系数，无量纲。
S6、求解穿越公路管段在当前工况下的极限承载能力。设定单次车辆碾压引起的应力增量不能超过管道安全屈服强度的40％，其对应的车辆载重为极限载重Tmax。在某个车辆载重下，若管道产生的最大应力达到管道安全屈服强度的40％，则可以认为该车辆载重为所述管道极限承载能力。
S7、改变模拟工况，可以模拟不同影响因素对管道极限载重的影响规律，拟合得出管道极限载重修正系数。根据所述修正系数，即可求得不同工况下穿越公路管段极限承载能力。
S8、对所述穿越公路管段承载能力进行量化评估，建立穿越公路管段超载预警指标评价体系。
作为优选，将极限载重的75％定为风险载重。所述预警指标评价体系将车辆载重分为三个风险等级：
Ⅰ级为高风险，车辆载重≥Tmax；
Ⅱ级为中风险，0.75Tmax<车辆载重<Tmax；
Ⅲ级为低风险，车辆载重≤0.75Tmax。
作为优选，所述超载预警指标评价体系具体为：
当所述车辆载重达到高风险时，禁止该车辆通行。
当所述车辆载重位于中风险时，应对管道进行定期检测。
当所述车辆载重处于低风险状态，车辆可以安全通行。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的一种穿越公路管段承载能力分析方法考虑了真实车辆运动状态对管道的影响行为。能够真实模拟车辆碾压过程中埋地管道应力变化，模拟复杂工况下各因素对管道的影响规律，效率高，更经济。能够量化穿越公路管段极限承载能力，具有实际运用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
图1为一个实施例的管道无车辆载荷作用时应力变化曲线示意图。
图2为一个实施例的管道有车辆载荷作用时应力变化曲线示意图。
图3为一个实施例的车辆载重与管道应力的关系曲线示意图。
图4为一个实施例的管径对管道应力影响示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语；使用的术语中“上”、“下”、“左”、“右”等通常是针对附图所示的方向而言，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言；同样地，为便于理解和描述，“内”、“外”等是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。但上述方位词并不用于限制本发明。
本发明提供的一种穿越公路管段承载能力分析方法，包括以下步骤：
S10、收集穿越公路管段基础信息，包括穿越段长度、管道尺寸规格、管材、管道运行压力、埋深、路面等级、最大通行车辆型号及载重等信息。
S20、根据实际通行车辆和公路参数利用ADAMS软件建立车辆-路面模型。所述车辆模型主要由驾驶室、转向装置、车体、板簧、驱动轴、车轮和发动机等子系统组成。然后根据车辆载重、车速等行驶条件，模拟车辆行驶过程，并提取所述过程车轮力。
S3、建立管-土模型，模拟埋地管道在车辆碾压过程中的动态应力变化规律。所述规律通过以下子步骤进行确定：
S31、根据现场穿越路段基本信息利用ABAQUS软件建立土体模型。所述土体模型包括回填土、路基和混凝土路面。
S32、根据现场数据利用ABAQUS软件建立管道模型，管道与土体的接触方式为面面接触。
作为选优，管材本构模型选用线弹性材料模型，线弹性模型的的关系式为：
σ＝Eε (1)
式中：σ为材料应力，Pa；E为材料弹性模量，Pa；ε为材料应变。
作为选优，管道模型选用各项同性模型，该模型服从Von-Mises屈服准则，可以准确的描述钢制管道在动态冲击下的强度和变形。所述屈服准则为：
式中：Sij为偏应力张量；αij为背应力张量；σy为屈服应力，Pa。
S33、在不考虑车辆载荷的情况下采用动态显示的求解方法对埋地管道进行应力分析。
在一个具体的实施例中，如图1所示。埋地管道(355.6×5.6mm)在受到稳定运行压力(1MPa)和覆土载荷(埋深0.8m)的影响情况下，管道产生的最大Mises应力为37.3MPa。
S34、增加车辆载荷，设置车轮力幅值，利用VDLOAD子程序可实现车轮力的动态加载。
在一个具体的实施例中，如图2所示。此时车辆载重110t，车速10km/h，管道产生的最大Mises应力为142.5MPa。
S40、改变车辆载重，模拟所述车辆载重对管道应力的影响规律。绘制车辆载重与管道应力的关系曲线，根据所述关系曲线拟合得到管道应力与车辆载重的关系式。
在一个具体的实施例中，车辆载重与管道应力的关系曲线如图3所示。所述管道应力与车辆载重关系式为：
σ＝0.4388t+84.586 (3)
式中：σ为车辆碾压作用下管道产生应力，MPa；t为车辆载重，t。
S50、根据穿越段地区等级和公路类型求解管道安全屈服强度。所述管道安全屈服强度计算方法为：
σu＝ησs (4)
式中：σu为管道安全屈服强度，MPa；σs为管材屈服强度，MPa；η为管道强度设计系数，无量纲。
在一个具体的实施例中，天然气管道穿越四级公路，管道强度设计系数为0.6。管道材质为L325钢，管材屈服强度为325MPa。求得管道安全屈服强度为195MPa。
S60、求解穿越公路管段在当前工况下的极限承载能力。设定单次车辆碾压引起的应力增量不能超过管道安全屈服强度的40％，其对应的车辆载重为极限载重Tmax。在某个车辆载重下，若管道产生的最大应力达到管道安全屈服强度的40％，则可以认为该车辆载重为所述管道极限承载能力。所述单次车辆碾压引起的应力增量的计算方法为：
σc＝σ-σ0≤0.4σu (5)
式中：σc为单次车辆碾压引起的应力增量，MPa；σ为车辆碾压作用下管道产生的最大应力，MPa；σ0为管道在不受车辆碾压作用时产生的应力，MPa；σu为管道安全屈服强度，MPa。
在一个具体的实施例中，管道在不受车辆碾压作用时产生的应力为37.3MPa。当车辆碾压引起的管道应力增量为78MPa时，达到了管道安全屈服强度的40％。此时管道应力为115.3MPa，根据式3求出的车辆载重即为管道极限承载能力。
S70、改变模拟工况，可以模拟不同影响因素对管道极限载重的影响规律，并拟合得出管道极限载重修正系数。根据所述修正系数，即可求得不同工况下穿越公路管段极限承载能力。
在一个具体的实施例中，如图4所示，为不同管径下穿越公路管段的极限承载。采用线性拟合的方法，得到管道埋深0.8m，运行内压1.6MPa，车速10km/h条件下，管径与载重修正系数的关系式为：
y＝1.35-0.001x (6)
式中：y为载重修正系数，无量纲；x为管径，mm。
根据实际管径求得对应的载重修正系数，用基准管径的极限载重乘以载重修正系数，即为所述实际管径的极限载重。
S80、对所述穿越公路管段承载能力进行量化评估，建立穿越公路管段超载预警指标评价体系。
作为优选，将极限载重的75％定为风险载重。所述预警指标评价体系将车辆载重分为三个风险等级。所述超载预警指标评价体系具体为：
Ⅰ级为高风险，车辆载重≥Tmax，禁止该车辆通行；
Ⅱ级为中风险，0.75Tmax<车辆载重<Tmax，应对管道进行定期检测；
Ⅲ级为低风险，车辆载重≤0.75Tmax，车辆可以安全通行。
在一个具体的实施例中，穿越公路管段超载预警指标评价体系如表1所示。
表1某穿越公路管段超载预警指标评价体系结果
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的一种穿越公路管段承载能力分析方法能够模拟真实车辆碾压过程中埋地管道的应力变化，模拟复杂工况下各因素对管道的影响规律，效率高，更经济。能够量化穿越公路管段极限承载能力，具有实际的运用价值。具体实施时，可根据现场实际情况针对不同影响因素，如埋深、管径等制定穿越公路管段超载预警指标评价体系。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种穿越公路管段承载能力分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、收集穿越公路管段基础信息，所述基础信息包括穿越段长度、管道尺寸规格、管材、管道运行压力、埋深、路面等级、通行车辆型号及载重等；
S2、建立车辆-路面模型，模拟车辆行驶全过程，提取所述过程车轮力；
S3、建立管-土模型，模拟埋地管道在车辆碾压过程中的动态应力变化规律；
S4、改变车辆载重，模拟所述车辆载重对管道应力的影响规律，拟合管道应力与车辆载重关系式；
S5、根据穿越段地区等级和公路类型求解管道安全屈服强度；
S6、求解穿越公路管段在当前工况下的极限承载能力，设定单次车辆碾压引起的应力增量不能超过管道安全屈服强度的40％，其对应的车辆载重为极限载重Tmax，在某个车辆载重下，若管道产生的最大应力达到管道安全屈服强度的40％，则可以认为该车辆载重为所述管道极限承载能力；
S7、改变模拟工况，模拟不同影响因素对管道极限载重的影响规律，拟合得出管道极限载重修正系数，根据所述修正系数，即可求得不同穿越公路管段极限承载能力；
S8、对所述穿越公路管段承载能力进行量化评估，建立穿越公路管段超载预警指标评价体系。
2.根据权利要求1所述一种穿越公路管段承载能力分析方法，其特征在于，步骤S2中，所述获取车轮力包括以下步骤：
S21、根据实际通行车辆利用ADAMS软件建立1：1车辆模型，所述车辆模型主要由驾驶室、转向装置、车体、板簧、驱动轴、车轮和发动机等子系统组成；
S22、根据公路等级建立路面模型；
S23、将所述车辆模型和路面模型进行耦合，根据车辆载重、车速等行驶工况模拟车辆行驶全过程，提取所述过程车轮力。
3.根据权利要求1所述一种穿越公路管段承载能力分析方法，其特征在于，步骤S3中，所述获取埋地管道在车辆碾压过程中动态应力变化规律包括以下步骤：
S31、根据现场穿越路段基本信息利用ABAQUS软件建立土体模型，所述土体模型包括回填土、路基和混凝土路面；
S32、建立管道模型，管道与土体的接触方式为面面接触；
S33、在不考虑车辆载荷的情况下采用动态显示的求解方法对埋地管道进行应力分析；
S34、增加车辆载荷，设置车轮力幅值，利用VDLOAD子程序实现车轮力的动态加载。
4.根据权利要求3所述一种穿越公路管段承载能力分析方法，其特征在于，步骤S2中，管材线弹性模型的关系式为：
σ＝Eε (1)
式中：σ为材料应力，Pa；E为材料弹性模量，Pa；ε为材料应变。
5.根据权利要求1所述一种穿越公路管段承载能力分析方法，其特征在于，步骤S4中，所述管道应力与车辆载重符合以下关系式：
σ＝0.4388t+84.586 (2)
式中：σ为车辆碾压作用下管道产生应力，MPa；t为车辆载重，t。
6.根据权利要求1所述一种穿越公路管段承载能力分析方法，其特征在于，步骤S5中，所述管道安全屈服强度的计算方法为：
σu＝ησs (3)
式中：σu为管道安全屈服强度，MPa；σs为管材屈服强度，MPa；η为管道强度设计系数，无量纲。
7.根据权利要求1所述一种穿越公路管段承载能力分析方法，其特征在于，步骤S6中，所述单次车辆碾压引起的应力增量计算方法为：
σc＝σ-σ0≤0.4σu (4)
式中：σc为单次车辆碾压引起的应力增量，MPa；σ为车辆碾压作用下管道产生的最大应力，MPa；σ0为管道在不受车辆碾压作用时产生的应力，MPa；σu为管道安全屈服强度，MPa。
8.根据权利要求1所述一种穿越公路管段承载能力分析方法，其特征在于，步骤S7中，不同管径下管道极限载重修正系数满足以下关系式：
y＝1.35-0.001x (5)
式中：y为载重修正系数，无量纲；x为管径，mm。
9.根据权利要求1所述一种穿越公路管段承载能力分析方法，其特征在于，步骤S8中，所述穿越公路管段超载预警指标评价体系分为以下等级：
车辆载重≥Tmax，车辆载重达到Ⅰ级高风险，禁止该车辆通行；
0.75Tmax<车辆载重<Tmax，车辆载重达到Ⅱ级中风险，对管道定期检测；
车辆载重≤0.75Tmax，车辆载重处于Ⅲ级低风险，车辆可以安全通行。
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