拱脚位移对圆弧形拱管平面外稳定性影响的有限元分析

doi:10.3969/j.issn.1006-396X.2021.04.012

石油化工高等学校学报 ›› 2021, Vol. 34 ›› Issue (4): 72-77.DOI: 10.3969/j.issn.1006-396X.2021.04.012

拱脚位移对圆弧形拱管平面外稳定性影响的有限元分析

李雨龙¹(), 孙星², 李小玲¹, 吴玉国¹(), 王国付¹

^1.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺 113001
^2.江苏斯尔邦石化有限公司, 江苏连云港 222000

收稿日期:2020-12-21 修回日期:2021-02-24 出版日期:2021-08-25 发布日期:2021-09-18
通讯作者: 吴玉国
作者简介:李雨龙（1997⁃），男，硕士研究生，从事油气储运技术方面的研究；E⁃mail：2360129767@qq.com。
基金资助:
辽宁省自然科学基金指导计划项目(2019?ZD?0060);辽宁省博士科研启动基金计划项目(2020?BS?227)

The Finite Element Analysis of the Influence of Arch Foot Displacement on Out⁃of⁃Plane Stability of Circular Arch Pipe

Yulong Li¹(), Xing Sun², Xiaoling Li¹, Yuguo Wu¹(), Guofu Wang¹

^1.College of Petroleum and Natural Gas Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China
^2.Jiangsu Sierbang Petrochemical Co. ，Ltd. ，Lianyungang Jiangsu 222000，China

Received:2020-12-21 Revised:2021-02-24 Published:2021-08-25 Online:2021-09-18
Contact: Yuguo Wu

摘要/Abstract

摘要：

平面外失稳为圆弧形拱式跨越管道常见的失稳形式之一，为了解多荷载下圆弧形拱管的稳定性，利用ANSYS软件对正常工况下的圆弧形拱管受风荷载和竖直分布荷载的工况进行模拟，对拱脚位移对极限竖直分布荷载的影响进行有限元计算分析。分析结果表明，拱脚水平位移对极限竖直分布荷载影响最大，且存在极限竖直分布荷载随拱脚水平位移增大而迅速下降；相同水平拱脚位移下，极限竖直分布荷载随风荷载的增大线性减小；不同风荷载下拱顶极限出拱平面位移在拱脚水平位移一定范围内分布集中，可结合水平拱脚位移对拱管变形情况进行监测。以上研究为跨越管道的设计和安全运行提供了一定的参考依据。

关键词: 拱脚位移, 拱管, 风荷载, 平面外稳定性, 有限元

Abstract:

Out?of?plane instability is one of the common instability forms of arc?shaped arched spanning pipelines. In this work, the ANSYS software was used to simulate the impact of wind and vertical distributed load on arc?shaped arch pipes under normal conditions. The influence of the arch foot displacement on the limit vertical distributed load is analyzed by finite element calculation. The analysis results show that the horizontal displacement of the arch foot has the greatest impact on the limiting vertical distributed load, which will rapidly decrease the displacement, the limiting vertical distributed load decreases linearly with the increase of wind load under the same horizontal arch foot displacement, and under different wind loads, the limiting arch plane displacement of the arch is concentrated within a certain range of the horizontal displacement of the arch toe, which can be used to monitor the arch tube deformation. Based on the above results, this work provides a certain reference basis for the design and safely operating of the crossing pipeline.

Key words: Arch foot displacement, Arch pipe, Wind load, Out?of?plane stability, Finite element

中图分类号:

TQ547.8⁺1

李雨龙, 孙星, 李小玲, 吴玉国, 王国付. 拱脚位移对圆弧形拱管平面外稳定性影响的有限元分析[J]. 石油化工高等学校学报, 2021, 34(4): 72-77.

Yulong Li, Xing Sun, Xiaoling Li, Yuguo Wu, Guofu Wang. The Finite Element Analysis of the Influence of Arch Foot Displacement on Out⁃of⁃Plane Stability of Circular Arch Pipe[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2021, 34(4): 72-77.

图/表 9

图1 圆弧形拱式跨越管道示意

Fig.1 Schematic diagram of circular arch spanning pipeline

图2 拱脚位移方向示意

Fig.2 Schematic diagram of the direction of arch foot displacement

图3 拱管单元体受力示意

Fig.3 Schematic diagram of the stress analysis of micro unit in arch pipeline

图4 圆弧形拱式管道有限元模型及局部模型

Fig.4 Schematic diagram of circular arch spanning pipeline finite model and local model

图5 管道荷载示意

Fig.5 Schematic diagram of pipeline load

图6 拱脚位移?极限竖直分布荷载及未加载时的最大Von Mises应力曲线

Fig.6 Arch foot displacement direction?limit vertical distributed load and maximum Von Mises stress before loading curve

图7 不同基本分压下x方向拱脚位移?极限竖直分布荷载曲线

Fig.7 Arch foot displacement in x direction-limit vertical distribution load curve under different basic wind pressure

图8 拱脚位移?拱顶极限出拱平面位移及未加载时的最大Von Mises应力曲线

Fig.8 Arch foot displacement?arch top limit out of the arch plane displacement and the maximum Von Mises stress before loading curve

图9 不同基本风压下x方向拱脚位移?拱顶极限出拱平面位移曲线

Fig.9 Displacement of arch foot?arch top limit out of the arch plane displacement in x direction under different basic wind pressure

参考文献 17

1	薛强.管道跨越设计简介［J］.天然气与石油，1999，17（2）：31⁃35.
	Xue Q.On pipeline aerial crossing design［J］.Natural Gas And Oil，1999，17（2）：31⁃35.
2	张一楠，马贵阳，周玮，等.沉降土体对管道跨越结构应力影响的分析［J］.中国安全生产科术，2015，11（8）：106⁃111.
	Zhang Y N，Ma G Y，Zhou W，et al.Analysis on influence to stress of pipeline with crossover structure by soil mass settlement［J］.Jouranl of Safety Science and Technology，2015，11（8）：106⁃111.
3	卢汉文.圆弧拱平面外稳定性研究［D］.广州：广州大学，2018.
4	杨伟强.集中力作用下工字型圆弧铝拱的平面外屈曲研究［D］.广州：广州大学，2019.
5	徐庆幸.高强钢焊接工字形截面圆弧拱平面外整体稳定性研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2015.
6	林歆昊.拱形管桁架结构的平面外稳定性及设计方法研究［D］.西安：西安工业大学，2018.
7	张紫祥，刘爱荣，黄永辉，等.集中荷载作用下弹性扭转约束层合浅拱的非线性面内稳定［J］.工程力学，2020，37（S1）：13⁃19.
	Zhang Z X，Liu A R，Huang Y H，et al.Nonlinear in⁃plane buckling of rotationally restrained shallow laminated arches under a central concentrated load［J］.Engineering Mechanics，2020，37（S1）：13⁃19.
8	王晖，韩博，徐骁，等.圆弧形拱式跨越管道静力与稳定性的有限元分析［J］.特种结构，2014，31（3）：114⁃118.
	Wang H，Han B，Xu X，et al.Static and stability FE analysis of circular arch suspending pipeline［J］.Special Structure，2014，31（3）：114⁃118.
9	陈爱国，周济振，林冰，等.竖向荷载和水平荷载共同作用下钢管拱平面内稳定承载力设计研究［J］.建筑结构学报，2014，35（4）：86⁃91.
	Chen A G，Zhou J Z，Lin B，et al.Design analysis for stability capacity of steel tubular arch under vertical and horizontal loading［J］.Journal of Building Structures，2014，35（4）：86⁃91.
10	张怀法.拱管跨越结构受埋地管出土端变位的影响分析［J］.油气储运，1984，3（3）：50⁃58.
	Zhang H F.Analysis of the influence of the displacement of buried pipes of the pull⁃out ends on the arch⁃crossing structure［J］.Oil & Gas Storage and Transportation，1984，3（3）：50⁃58.
11	邓一三，徐斌，王燕楠.拱脚转动对圆拱稳定性的影响研究［J］.重庆交通大学学报（自然科学版），2015，34（1）：22⁃24.
	Deng Y S，Xu B，Wang Y N.Effects of angular displacement of skewback on stability performance of circular arch［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University（Natural Sciences），2015，34（1）：22⁃24.
12	邓一三，王燕楠.拱脚沉陷对圆拱屈曲性能的影响［J］.武汉大学学报（工学版），2013，46（6）：772⁃775.
	Deng Y S，Wang Y N.Effects of skewback settlement on buckling performance of circular arch［J］.Engineering Journal of Wuhan Univesity，2013，46（6）：772⁃775.
13	S.铁摩辛柯，S.沃诺斯基.板壳理论［M］.北京：科学出版社，1977.
14	中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.石油天然气工业管线输送系统用钢管：GB/T 9711-2017［S］.北京：中国标准出版社，2012.
15	王新敏，李义强，许宏伟.ANSYS结构分析单元与应用［M］.北京：人民交通出版社，2011.
16	中国市政工程西南设计研究院.自承式圆弧形架空钢管：GJBT-926［S］.北京：中国计划出版社，2006.
17	徐骁.圆弧形拱式跨越管道有限元分析［D］.天津：天津大学，2012.

[1]	隋成龙, 林家昱, 李进, 尉文平, 李留伟. 潮水流速对钻井隔水导管入孔影响的有限元分析[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(3): 75-80.
[2]	王博，陈一鸣，杜胜男，王卫强. 基于CFD方法的无限大平板热扩散数值模拟[J]. 石油化工高等学校学报, 2020, 33(6): 79-84.
[3]	孙东旭, 吴明, 谢飞, 王阳. 基于有限元分析的管道腐蚀缺陷生长预测模型[J]. 石油化工高等学校学报, 2020, 33(1): 81-87.
[4]	郭健，李自力，李扬，崔淦，周嘉瑜，王一舒. 基于ANSYS的埋地套管力学分析[J]. 石油化工高等学校学报, 2019, 32(2): 77-83.
[5]	孟宇，朱向哲，刘俭. 棱顶间隙对4WS密炼机流体混合特性影响[J]. 石油化工高等学校学报, 2018, 31(5): 77-83.
[6]	李冲,李静,谢禹钧. 小型顶管机刀盘设计与有限元分析[J]. 石油化工高等学校学报, 2016, 29(4): 87-91.
[7]	夏冲,廖旋,刘荆成. 多分支缝水力压裂暂堵起裂点位置研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2016, 29(2): 44-48.
[8]	陈松,刘金纯,杨宇峰,景鹏飞,谢禹钧. 加氢反应器非标八角垫密封性能有限元分析[J]. 石油化工高等学校学报, 2016, 29(1): 72-75.
[9]	冉龙飞, 王晓霖. 含体积型缺陷管道的剩余强度评价[J]. 石油化工高等学校学报, 2015, 28(1): 93-96.
[10]	籍延磊, 王阁, 陈立, 朱向哲. 啮合块错列角对三螺杆混合段混合效率的影响[J]. 石油化工高等学校学报, 2014, 27(4): 87-91.
[11]	李士斌, 李磊, 张立刚. 清水压裂多场耦合下裂缝扩展规律数值模拟分析[J]. 石油化工高等学校学报, 2014, 27(1): 42-47.
[12]	陈立, 朱向哲, 石成江. 流体激励作用下换热管和挡板随机碰撞响应研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2013, 26(6): 74-77.
[13]	张微,朱向哲,周暋振,马文涛. 转速突变对竖直井钻柱系统动力学特性的影响[J]. 石油化工高等学校学报, 2013, 26(2): 47-51.
[14]	孔祥军,陶思达. 加热炉炉管的安全评定及剩余寿命预测[J]. 石油化工高等学校学报, 2011, 24(4): 88-90.
[15]	庞世强,朱向哲,陈. 竖直井底部钻具动力学特性的有限元分析[J]. 石油化工高等学校学报, 2011, 24(4): 55-59.

拱脚位移对圆弧形拱管平面外稳定性影响的有限元分析

The Finite Element Analysis of the Influence of Arch Foot Displacement on Out⁃of⁃Plane Stability of Circular Arch Pipe

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