交通荷載作用下輸油管線剩余強(qiáng)度計(jì)算分析

姜尚宏，王踞峰

（1.中國(guó)海洋大學(xué) 土木工程系，山東 青島266100；2，河北省高速公路石黃管理處，河北 石家莊050051）

輸油管線運(yùn)輸量大、成本低、占地少、安裝技術(shù)落后、保護(hù)措施較差，且受到外部交通荷載等因素的影響嚴(yán)重，導(dǎo)致使用強(qiáng)度降低，最終出現(xiàn)爆破、滲透等現(xiàn)象。輸油管線鋪設(shè)在地下，一旦出現(xiàn)滲漏、爆破等事故，無(wú)法及時(shí)進(jìn)行處理，易造成經(jīng)濟(jì)損失，影響正常生活。因此，對(duì)輸油管線進(jìn)行剩余強(qiáng)度計(jì)算，分析輸油管線在交通荷載作用下剩余強(qiáng)度的變化規(guī)律至關(guān)重要。

1 交通荷載作用下輸油管線頂部豎向壓力模型

車輛荷載通過(guò)車輪施加豎向壓力于輸油管線，荷載對(duì)管頂?shù)母郊哟怪焙奢d為均布?jí)毫?，擴(kuò)散角一般取30°。在均布車輛荷載作用下，埋深H的管線頂部附加力為

式中:b為車輪寬度，H為輸油管線埋深，Q為車輪荷載強(qiáng)度，p為依據(jù)擴(kuò)散角法傳遞至管頂?shù)能嚭奢d強(qiáng)度，α為擴(kuò)散角度，具體示意見(jiàn)圖1。

圖1 輪壓荷載分布示意

2 交通荷載作用下輸油管線截面應(yīng)力計(jì)算模型

2.1 連續(xù)荷載作用下豎向撓度方程

假定輸油管線兩端受剪力、彎矩等荷載作用。輸油管線間任意位置受集中荷載作用如圖2所示，將連續(xù)荷載看作多個(gè)豎向集中荷載作用，得出連續(xù)豎向荷載作用下的撓度方程為

式中:f為撓度系數(shù)修正項(xiàng)，其值根據(jù)管線所受荷載的不同而定；c0為連續(xù)豎向荷載左邊界距管線左端的距離；c1為沿輸油管線軸向所求某截面距管線左端距離。

圖2 集中荷載作用

2.2 彎矩及應(yīng)力的求解

輸油管線受管頂土體壓力及交通荷載附加壓力共同作用，根據(jù)波斯頓規(guī)范可知，整個(gè)輸油管線所受荷載示意圖如圖3所示。

圖3 管線所受荷載示意圖

假定輸油管線的邊界約束為固定端約束，輸油管線受三個(gè)上部外力作用，即土體荷載、左輪壓荷載和右輪壓荷載。在交通荷載及土體壓力作用下輸油管線的撓度及轉(zhuǎn)角方程式如式（3）及式（4）所示。

式中:A＝βl，B＝β（l－a），C＝β（l－a－c），D＝β（l－a－c－d），E＝β（l－2c－a－d）.

求解得出沿輸油管線軸向任意截面的撓度和轉(zhuǎn)角，再利用式（1）和式（2）得出彎矩及剪力的計(jì)算式。在交通荷載作用下垂直于輸油管線截面的應(yīng)力主要由彎矩產(chǎn)生，彎矩作用下的截面應(yīng)力可由式（5）得出

式中:M為輸油管道截面彎矩，y為輸油管線截面中性軸高度，I為截面慣性矩。

3 交通荷載作用下的剩余強(qiáng)度計(jì)算

假定重型車輛荷載為480kN，輕型車輛荷載為300kN，車輪寬度0.2m，車寬2.6m，輸油管線埋深為1.0m。假定輸油管線每年所受該種車輛荷載平均作用次數(shù)為10 000次。以管徑200mm、300 mm及400mm為變量對(duì)輸油管線在不同交通荷載作用下的受力及疲勞剩余強(qiáng)度進(jìn)行分析，管線初始強(qiáng)度為400Mpa。

埋深為1.0m時(shí)，土體對(duì)輸油管線頂部施加的均布荷載q＝11kN／m。運(yùn)用式求解管線頂部所受交通荷載大小及作用范圍C。其中?＝30°，通過(guò)計(jì)算分別得重型荷載與輕型荷載的p1＝100kN／m，p2＝21kN／m，圖3中a＝3.15m，c＝1.2 m，d＝1.3m。運(yùn)用Matlab程序進(jìn)行計(jì)算，得到輸油管線在不同交通荷載作用下的管徑分別為D1＝0.2m，D2＝0.3m，D3＝0.4m的撓度曲線如圖4所示。

圖4 輸油管線撓度曲線

運(yùn)用Matlab程序得到輸油管線在管徑分別為0.2m，0.3m，0.4m時(shí)彎矩曲線如圖5所示。

將所得最大正應(yīng)力

圖5 輸油管線彎矩曲線

代入式

得出管徑0.2m，0.3m，0.4m 時(shí)輸油管線極限疲勞次數(shù)分別為N0.2＝1 004 446 次，N0.3＝13 428 727次，N0.4＝21 477 659次。管線每年所受車輛荷載作用平均次數(shù)為10 000次，輸油管線的剩余強(qiáng)度的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 輸油管線強(qiáng)度衰退情況

受交通荷載作用的影響，輸油管線強(qiáng)度隨著齡期的增長(zhǎng)出現(xiàn)衰退的現(xiàn)象。在埋深1.0m不變的情況下，隨著管徑的增加，剩余強(qiáng)度與原強(qiáng)度的比值越來(lái)越高，剩余強(qiáng)度越大。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）輸油管線的強(qiáng)度衰退受交通荷載作用的影響，隨著交通荷載作用次數(shù)的增加，輸油管線剩余強(qiáng)度也隨之降低。

2）對(duì)輸油管線截面應(yīng)力計(jì)算采用材料力學(xué)及彈性地基梁的模型，計(jì)算沿輸油管線任意截面的撓度和轉(zhuǎn)角，分析在交通荷載和上層土壓力的共同作用下，輸油管線豎向撓度方程和連續(xù)豎向荷載作用下的撓度方程式，確定輸油管線任一截面彎矩和截面應(yīng)力，構(gòu)建交通荷載作用下輸油管線截面應(yīng)力的計(jì)算模型。

3）在分析交通荷載作用下剩余強(qiáng)度計(jì)算分析方法的基礎(chǔ)上，對(duì)某地區(qū)的輸油管線在不同交通荷載作用下的剩余強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，以圖表的形式展示不同管徑下的撓度曲線、彎矩曲線以及強(qiáng)度衰退的情況，隨著交通荷載作用次數(shù)的增加，管線在循環(huán)應(yīng)力作用下產(chǎn)生的疲勞損傷逐步累積，導(dǎo)致抵抗外部應(yīng)力的能力、管線剩余強(qiáng)度也隨之下降。并對(duì)輸油管線強(qiáng)度隨著齡期的增長(zhǎng)而衰退的現(xiàn)象進(jìn)行介紹。

4）輸油管線在輕型荷載和重型荷載作用下?lián)隙惹€，彎矩曲線以及強(qiáng)度衰退情況相似，隨著交通荷載作用次數(shù)的增加，管線剩余強(qiáng)度也隨之下降。管徑不同剩余強(qiáng)度下降的比例也不同，管徑越大，剩余強(qiáng)度與原強(qiáng)度的比值越小，輸油管線的剩余強(qiáng)度越小。

［1］張雷，張誠(chéng)，李建軍.交通荷載作用下聚乙烯（PE）燃?xì)夤艿赖膽?yīng)力和穩(wěn)定性分析［J］.城市燃?xì)猓?010（9）:6－8.

［2］焦雙健，陳曉磊.腐蝕作用下多齡期鑄鐵管線剩余強(qiáng)度分析［J］.交通科技與經(jīng)濟(jì)，2013，15（5）:114－118.

［3］邵煜.埋地管道的失效機(jī)理及其可靠性研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2008.

［4］王直民.交通荷載作用下埋地管道的力學(xué)性狀研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2006.

［5］何東升，張鵬，張麗萍.API 579與B31G剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)的保守性分析［D］.成都:西南石油大學(xué)，2000.

［6］陳嚴(yán)飛，李昕.不規(guī)則腐蝕缺陷管道極限承載力研究［J］.工程力學(xué)，2009，26（11）:190－195.

［7］郭書祥，呂震宙，張陵.結(jié)構(gòu)的能度可靠性方法和隨機(jī)可靠 性 方 法 的 比 較 ［J］.計(jì) 算 力 學(xué) 學(xué) 報(bào)，2003，20（4）:319－339.