本文是由省部级项目:四川省杰出青年基金项目(编号:03ZQ026-044)“特殊类型井管柱、管线设计与选择”资助完成的,也是该项目的部分内容之一。 油气长输管线由于大变形引起的损伤在国内外长输管线失效事故资料统计分析中占了相当大比例,它是导致长输管线失效破坏的一个非常重要因素。我国在长输管线强度设计理论和设计规范方面的研究非常少,基本都是参照国外的设计规范,但工程实践表明目前的管道强度设计中存在许多问题,与实际情况存在较大差异,常会造成重大事故和巨大经济损失。因此,研究长输管线的大变形设计理论并对国内现行设计规范作出必要的修正具有重要的工程意义。 本文是一项涉及地质力学、土力学和固体力学的交叉学科的研究,综合运用了弹塑性力学理论和计算机仿真方法,在前人基础上对长输埋地管道和跨越管道的几类典型大变形情况进行力学理论分析和计算机仿真分析,初步形成系统的长输管线大变形分析理论和研究方法,得到了一些深入认识,主要包括以下几方面: (1) 建立了上凸初始弯曲管段的大变形失稳分析模型;提出对现行规范中临界纵向力计算的安全性、横向阻力计算、荷载系数的取值等的修正意见和建议。 (2) 基于管土互作用双线性模型、Winkler假定,建立了水平弯头的变形分析模型;在CAESAR Ⅱ二次开发基础上作计算机仿真分析,验证了公式的适用性;提出了对现行规范中弯头强度校核方法、管土互作用参数选择等的修正建议。 (3) 基于弹性地基理论和弹性梁挠曲理论建立了埋管在坍塌/冲沟地质灾害作用下的变形微分方程,导出了大变形分析模型;以西气东输工程用管为例,由计算机仿真验证了公式适用性,确定了管道失效长度并提出了预防建议。 (4) 基于大挠度梁理论,考虑几何非线性和土壤的物理非线性建立了跨越管道的大变形分析模型;通过5种典型工况下跨越管道变形的计算机仿真分析验证了公式适用性,对跨越管道固定墩的设置问题给出了建议;提出了一些关于现行规范中跨越管强度验算的修正建议。 (5) 对埋地和跨越管道补偿器设计作了初步研究,建立了确定位置和吸收位移的数学模型及其求解框图;提出了对补偿器强度设计规范的几点修正建议。