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在当代社会,城市供热已成为我国北方城市不可缺少的基础设施之一,与此同时,社会所面临的的环境污染、能源以及资源危机问题越来越严重,而集中供热方式具有节约煤炭能源,提高能源利用率,有利消烟除尘,减少污染物的排放,减少煤炭及灰渣的输运,易于进行统一和科学的管理等优势,因而以城市集中供热方式取代小型分散的燃煤供热方式已成为国家的重要政策。在集中供热的管网敷设方式中,直埋敷设凭借其工程造价低、热损失小、节约能源、防腐、绝缘性能好、使用寿命长再加上占地少、施工快、有利于环境保护和减少施工扰民等优势,已在城市集中供热管网建设中替代传统的地沟敷设方式。在直埋敷设的管线中,如果可以通过合理的设计,以自然补偿代替补偿器,不但可以大大减少固定墩的设置,降低投资,还可增加管线的安全性,减少事故点和维修点。可惜的是,目前国内对自然补偿器的使用范围和受力验算理论非常不完善,对于“Z”形弯管自然补偿器,其可直接用于工程设计与工程应用的理论研究很少。目前在集中供热直埋管网工程设计中,最常用到的依据是《城镇直埋供热管道工程技术规程(CJJ/T 81-98)》(以下简称《规程》)和《直埋供热管道工程设计》(以下简称《工程设计》)。然而两者都未将“L”形补偿器和“Z”形补偿器用一个界限区分开来。不但如此,《规程》中的适用条件是管径为DN500及以下,《工程设计》中的管径范围延伸到了 DN1000,不过二者都要求验算所用的臂长满足一定的限制条件,对于不满足验算条件的“Z”形补偿器,二者都没有提供设计方法。一些作者虽然使用了 ANSYS有限元模拟分析软件中的实体单元对弯头受力进行了分析,但这些文章中所取弯管模型都仅是弯头附近很短的一段,更长的直管段对弯头的作用,仅是通过施加位移荷载来替代的,然而施加的位移荷载等效于多长的直管段,却必须要再寻找其他方法来求得。基于以上原因,急需对“Z”形补偿弯管进行更为深入的研究,从而为当前大量的工程设计以及该领域的后续研究提供指导,完善“Z”形弯管的强度验算理论。本课题主要针对管径为DN150到DN500的管道,在管顶埋深为1.0mm,管道内压为1.6MPa,管道循环工作温差为120℃,弯头夹角为90°条件下的的“L”形弯管和“Z”形弯管,通过ANSYS分析软件,使用实体单元作为管道单元并且直接建立所需长度的长臂模型来模拟弯头的受力情况。依据“弹性抗弯铰”解析法得出所需条件的“L”形弯管理论解析解。通过“L”形弯管的模拟解与理论解析解的比较分析,验证了 ANSYS分析软件模型的可靠;通过比较“L”形弯管和“Z”形弯管的模拟解,对“L”形补偿弯管和“Z”形补偿弯管的界限进行了划分;通过模拟分析,对短臂臂长不满足《规程》和《工程设计》中限制条件的“Z”形弯管,给出了算法,为工程设计提供了设计依据,并为“Z”形补偿弯管的后续研究提供了理论参考。