CN111046502A - 一种管道穿越断层的土弹簧刚度计算方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管道穿越断层的土弹簧刚度计算方法及装置，其中，该方法包括建立管道穿越断层的三维有限元模型；基于所述三维有限元模型和管沟参数，获取三向土弹簧刚度模型。本发明实施例提供的管道穿越断层的土弹簧刚度计算方法及装置，在考虑管沟参数的基础上，确定了三向土弹簧的计算方法。利用ABAQUS有限元软件建立了管道穿越断层的三维有限元模型，通过ASCE指南方法对三维有限元模型进行了验证。在三维有限元模型的基础上，利用1stOpt拟合软件构建出管道穿越断层的三向土弹簧刚度模型。为断层作用下的管道设计及安全评价提供了参考作用。

Description

一种管道穿越断层的土弹簧刚度计算方法及装置

技术领域

本发明涉及管道设计领域，尤其涉及一种管道穿越断层的土弹簧刚度计算方法及装置。

背景技术

随着我国天然气管网的加速建设和发展，高钢级输气管道不可避免地穿越断层带，对其进行抗震分析能有效地保障管道的安全运行。其中土弹簧刚度模型的建立是研究管道反应规律的基础。

地震是长输管道潜在的破坏原因之一，分析断层作用下管道的反应规律能有效的预防和减少在未来地震中的破坏。目前常用的研究方法中，刘啸奔、张宏等基于有限元分析结果，提出了三维斜向逆断层作用下X80管道设计应变的计算方法；程旭东、庞明伟等提出了跨斜滑断层埋地管道最大拉应变、压应变的回归公式。

然而，上述方法没有考虑管沟参数。实际上，改变管沟参数可以有效降低管道变形，以解决天然气管道穿越断层时应变过高的难题。当前，土弹簧刚度的确定一般采用ASCE指南中的计算方法。但是，ASCE指南中土弹簧刚度的确定是基于管道外无限大范围内的土壤特性相同而建立的，不能反映管沟内回填土特性与管沟外原土不同时的情况，因而也不能反映管沟尺寸与形状对管道变形的影响，而管沟参数是主控参数之一，不容忽略。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述问题，提供一种管道穿越断层的土弹簧刚度计算方法及装置。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种管道穿越断层的土弹簧刚度计算方法，包括：

建立管道穿越断层的三维有限元模型；

基于所述三维有限元模型和管沟参数，获取三向土弹簧刚度模型。

进一步，所述建立断层作用下管道的三维有限元模型具体包括：

定义管道穿越断层为材料非线性和几何非线性的双重非线性问题，建立管道穿越断层的三维有限元模型，并确定载荷边界条件和管土特性。

进一步，在建立管道穿越断层的三维有限元模型之后，所述方法还包括：

基于ASCE指南对所述三维有限元模型进行有效性验证。

进一步，所述基于ASCE指南对所述三维有限元模型进行有效性验证，具体包括：获取三维有限元模型的三向土弹簧刚度计算结果，与采用ASCE指南对于三向土弹簧刚度的计算结果进行比对验证。

进一步，所述三向土弹簧刚度模型包括水平横向土弹簧刚度计算模型、管轴方向土弹簧刚度计算模型和垂直方向土弹簧刚度计算模型。

进一步，所述水平横向土弹簧刚度计算模型为:

式中，p_s：水平横向单位长度管道外表面所受压力，kN/m；

c：粘土内聚力，MPa；

D：管径，m；

H：管道埋深，m；

ρ₀：沙土密度，kg/m3；

b：加宽裕量，m；

h：垫层厚度，m；

沙土内摩擦角，rad；

β：坡度，rad；

所述管轴方向土弹簧刚度计算模型为：

f_s＝(0.313+1.194H+0.052H²)(-0.616+6.969D-0.623D²)[2.165sin(β)+2.033cos(β)](2.852-0.087b-0.005b²)

式中，f_s表示管轴方向土壤与管道外表面之间单位长度的摩擦力，kN/m；

所述垂直方向土弹簧刚度计算模型包括垂直向上土弹簧刚度计算模型和垂直向下土弹簧刚度计算模型；

其中，垂直向上土弹簧刚度计算模型为：

(94.243H-34.792H²+4.372H³-80.145)(1.654D-6.194D²+1.291D³-0.232)

式中，q_s1表示垂直向上单位长度管道所受压力，kN/m；

垂直向下土弹簧刚度计算模型为：

式中，q_s2表示垂直向下单位长度管道所受压力；ω表示粘土摩擦角。

第二方面，本发明提供一种管道穿越断层的土弹簧刚度计算装置，包括：

有限元模型建立模块，用于建立管道穿越断层的三维有限元模型；

土弹簧刚度计算模块，用于基于所述三维有限元模型和管沟参数，获取三向土弹簧刚度模型。

进一步，所述有限元模型建立模块具体用于：

定义管道穿越断层为材料非线性和几何非线性的双重非线性问题，建立管道穿越断层的三维有限元模型，并确定载荷边界条件和管土特性。

第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过总线完成相互间的通信，处理器可以调用存储器中的逻辑指令，以执行如第一方面所提供的方法的步骤。

第四方面，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所提供的方法的步骤。

本发明实施例提供的管道穿越断层的土弹簧刚度计算方法及装置，在考虑管沟参数的基础上，确定了三向土弹簧的计算方法。利用ABAQUS有限元软件建立了管道穿越断层的三维有限元模型，通过ASCE指南方法对三维有限元模型进行了验证。在三维有限元模型的基础上，利用1stOpt拟合软件构建出管道穿越断层的三向土弹簧刚度模型。为断层作用下的管道设计及安全评价提供了参考作用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的管道穿越断层的土弹簧刚度计算方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的管土接触分析模型示意图；

图3为本发明实施例提供的埋地管道横向剖面图；

图4(a)为本发明实施例提供的管道穿越断层的三维有限元模型示意图；

图4(b)为本发明实施例提供的三维有限元模型的网格划分示意图；

图5为三向土弹簧拟合公式计算结果和实际工况数据的关系示意图；

图6为本发明实施例提供的管道穿越断层的土弹簧刚度计算装置的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对当前断层作用下管道的反应规律研究未充分考虑管沟参数的问题，本发明实施例提供一种管道穿越断层的土弹簧刚度计算方法。图1为本发明实施例提供的管道穿越断层的土弹簧刚度计算方法流程示意图，参照图1，该方法包括：

步骤101，建立管道穿越断层的三维有限元模型。

在有限元模型中，管土相互作用采用土弹簧来模拟，包括管轴方向土弹簧、水平横向土弹簧和垂直方向土弹簧。当前，土弹簧刚度的确定一般采用ASCE指南中的计算方法。但是，ASCE指南中土弹簧刚度的确定是基于管道外无限大范围内的土壤特性相同而建立的，不能反映管沟内回填土特性与管沟外原土不同时的情况，因而也不能反映管沟尺寸与形状对管道变形的影响。

为研究管土间的作用规律，在执行步骤101之前，本实施例建立三维管土接触分析模型。其中，图2为本发明实施例提供的管土接触分析模型示意图，图3为本发明实施例提供的埋地管道横向剖面图。如图2和图3所示，本发明实施例能够通过施加位移条件以获得场地土沿各方向的屈曲位移及其对应的屈服力。

进一步的，利用ABAQUS有限元软件建立管道穿越断层的三维有限元模型，由于埋地管道在断层作用下反应的是材料非线性和几何非线性的双重非线性问题。因此，本实施例中管道采用壳单元模型能更好的模拟实际情况。其中管道模型采用四节点，曲面薄壳减缩积分单元(S4R)，有限膜应变。土体模型采用八节点线性六面体单元(C3D8)。三维有限元模型及网格划分如图4(a)和图4(b)所示。其中，图4(a)为本发明实施例提供的管道穿越断层的三维有限元模型示意图；图4(b)为本发明实施例提供的三维有限元模型的网格划分示意图。

步骤102，基于所述三维有限元模型和管沟参数，获取三向土弹簧刚度模型。

具体的，在上述三维有限元模型基础上，考虑管沟参数，通过改变场地条件、回填土性质、管沟尺寸、管道尺寸、管道埋深等单一变量，获得多组屈曲位移-屈服力数据。接着，利用1stOpt软件的全局优化算法拟合出考虑管沟参数的三向土弹簧刚度模型。本实施例中的管沟参数可以包括管沟的覆土裕高、土层厚度、超挖深度、加宽裕量、回填细土及边坡比等。通过设置管沟参数，提高了三向土弹簧刚度模型的可靠性。

本发明实施例提供的管道穿越断层的土弹簧刚度计算方法，在考虑管沟参数的基础上，确定了三向土弹簧的计算方法。利用ABAQUS有限元软件建立了管道穿越断层的三维有限元模型，通过ASCE指南方法对三维有限元模型进行了验证。在三维有限元模型的基础上，利用1stOpt拟合软件构建出管道穿越断层的三向土弹簧刚度模型。为断层作用下的管道设计及安全评价提供了参考作用。

基于上述实施例的内容，步骤101中，所述建立断层作用下管道的三维有限元模型具体包括：

定义管道穿越断层为材料非线性和几何非线性的双重非线性问题，建立管道穿越断层的三维有限元模型，并确定载荷边界条件和管土特性。

具体地，本实施例以西气东输二线管道为研究对象，对断层作用下管道的三维有限元模型建立过程进行说明。定义管道穿越断层为材料非线性和几何非线性的双重非线性问题，本实施例中管道采用壳单元模型。其中，壳单元模型管道采用四节点，曲面薄壳减缩积分单元(S4R)，有限膜应变；土体模型八节点线性六面体单元(C3D8)。建立三维有限元模型，模型及网格划分如图4(a)和图4(b)所示。其中，图4(a)为本发明实施例提供的管道穿越断层的三维有限元模型示意图；图4(b)为本发明实施例提供的三维有限元模型的网格划分示意图。在管土接触设置中采用主-从接触算法：主面为管道外表面，从面为管土接触处土体表面。管与土接触面之间的相互作用采用法向作用和切向作用两个方面进行描述。其中切向作用是通过罚函数来定义管土之间的摩擦系数，法向作用设置为“硬接触”，即认为接触面之间的接触压力为零或者负值时，两个接触面便分开，并且移除相互约束关系。

进一步地，确定载荷边界条件。载荷边界条件条件包括载荷条件和边界条件，其中：

(1)载荷条件

根据不同断层类型分析位移分量，并以其作为位移载荷条件施加给管土单元，对于走滑断层，运动发生在水平面，管道穿越断层的相交角度为β，断层倾角为ψ。管道穿越水平位移为δ_s的走滑断层时，沿管道的轴向位移分量Δx和侧向位移分量Δy分别为：

管道穿越垂直位移为δ_p的正断层和逆断层时，沿管道的水平分量Δx、水平侧向分量Δy和竖直分量Δz分别为：

对于有水平位移δ_s和垂直位移δ_p的断层，断层活动的位移分量为：

δ_p对正断层取正值，对逆断层取负值。δ_s对右旋走滑断层取正值，对左旋走滑断层取负值。管道与断层的交角β定义为断层右边地面运动方向与管道轴线向右方向构成的夹角。

(2)边界条件

边界条件设置为上表面为自由表面，下表面约束全部位移自由度，其它表面约束其法向自由度。荷载-位移曲线的获得可以有有两种方式，即给定荷载求解位移，或者给定位移求解对应的荷载。为了避免达到极限条件时，刚度减小(甚至趋于0)带来的收敛问题，本模型采取给定位移求解荷载的做法，通过施加位移的方式获得土体各个方向的抗力。

进一步地，确定管土特性，管土特性包括管道材料特性和土体参数特性，其中：

(1)管道材料特性

管道材料采用Ramberg-Osgood本构模型，其参数由拉伸实验测得的材料真实应力-应变曲线拟合确定。

式中：

ε：真实应变；

σ：轴拉应力，MPa；

E：弹性模量，N/mm；

σ₀：屈服应力，MPa；

α、r：Ramberg-Osgood参数。

表1中列出常用等级钢管的σ₀、α和r值。

表1常用管道钢的Ramberg-Osgood参数

注：按照西气东输二线天然气管道工程，基于应变设计的直缝埋弧焊管技

术条件生产的钢管分为X80HD1和X80HD2两个级别，分别适用于钢管弯曲

载荷下屈曲应变为1.0％和1.5％以下的地区。

(2)土体参数特性

土体参数基于现有文献获得，参数如下表2所示：

表2土体材料基础参数

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，在步骤101建立管道穿越断层的三维有限元模型之后，所述方法还包括：

基于ASCE指南对所述三维有限元模型进行有效性验证。

具体地，获取三维有限元模型的三向土弹簧刚度计算结果，与采用ASCE指南对于三向土弹簧刚度的计算结果进行比对验证，验证结果如表3所示：

表3模型验证结果

由表3可知，误差可控在10％以内，该三维有限元模型具有可行性。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，步骤102中，三向土弹簧刚度模型包括水平横向土弹簧刚度计算模型、管轴方向土弹簧刚度计算模型和垂直方向土弹簧刚度计算模型。

其中，水平横向土弹簧刚度计算模型为:

式中，p_s：水平横向单位长度管道外表面所受压力，kN/m；

c：粘土内聚力，MPa；

D：管径，m；

H：管道埋深，m；

ρ₀：沙土密度，kg/m3；

b：加宽裕量，m；

h：垫层厚度，m；

沙土内摩擦角，rad；

β：坡度，rad；

所述管轴方向土弹簧刚度计算模型为：

f_s＝(0.313+1.194H+0.052H²)(-0.616+6.969D-0.623D²)[2.165sin(β)+2.033cos(β)](2.852-0.087b-0.005b²)

式中，f_s表示管轴方向土壤与管道外表面之间单位长度的摩擦力，kN/m；

所述垂直方向土弹簧刚度计算模型包括垂直向上土弹簧刚度计算模型和垂直向下土弹簧刚度计算模型；

垂直向上土弹簧刚度计算模型为：

(94.243H-34.792H²+4.372H³-80.145)(1.654D-6.194D²+1.291D³-0.232)

式中，q_s1表示垂直向上单位长度管道所受压力，kN/m；

垂直向下土弹簧刚度计算模型为：

式中，q_s2表示垂直向下单位长度管道所受压力；ω表示粘土摩擦角。

基于上述实施例的内容，为验证三向土弹簧刚度模型的准确性，本实施例根据西气东输二线工程的地质勘察资料，提取了40组西气东输二线管道实际应变数据与三向土弹簧刚度拟合公式计算结果进行对比分析。其中，三向土弹簧刚度拟合公式即是指三向土弹簧刚度模型。图5为三向土弹簧拟合公式计算结果和实际工况数据的关系示意图，图5中的横坐标和纵坐标分别是指使用本专利提出的三向土弹簧拟合公式计算的管道应变值和实际工况下管道的应变值。如图5所示，最大应变误差为3.986％，最小应变误差为0.011915％，对比分析可知，拟合计算结果和实际工况数据变化趋势相同，该拟合公式拟合程度高，具备一定准确性。

图6为本发明实施例提供的管道穿越断层的土弹簧刚度计算装置的结构示意图，参照图6，本发明提供一种管道穿越断层的土弹簧刚度计算装置，包括：

有限元模型建立模601，用于建立管道穿越断层的三维有限元模型；

土弹簧刚度计算模块602，用于基于所述三维有限元模型和管沟参数，获取三向土弹簧刚度模型。

具体地，本发明实施例提供的管道穿越断层的土弹簧刚度计算装置，具体用于执行上述方法实施例中的管道穿越断层的土弹簧刚度计算方法的步骤，由于上述实施例中已对管道穿越断层的土弹簧刚度计算方法进行详细介绍，此处不对管道穿越断层的土弹簧刚度计算装置的功能模块进行赘述。

本发明实施例提供的管道穿越断层的土弹簧刚度计算方法，在考虑管沟参数的基础上，确定了三向土弹簧的计算方法。利用ABAQUS有限元软件建立了管道穿越断层的三维有限元模型，通过ASCE指南方法对三维有限元模型进行了验证。在三维有限元模型的基础上，利用1stOpt拟合软件构建出管道穿越断层的三向土弹簧刚度模型。为断层作用下的管道设计及安全评价提供了参考作用。

基于上述实施例的内容，所述有限元模型建立模块具体用于：

定义管道穿越断层为材料非线性和几何非线性的双重非线性问题，建立管道穿越断层的三维有限元模型，并确定载荷边界条件和管土特性。

图7为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图，如图7所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)701、通信接口(Communications Interface)702、存储器(memory)703和通信总线704，其中，处理器701，通信接口702，存储器703通过通信总线704完成相互间的通信。处理器701可以调用存储在存储器703上并可在处理器701上运行的计算机程序，以执行上述各实施例提供的管道穿越断层的土弹簧刚度计算方法，例如包括：建立管道穿越断层的三维有限元模型；基于所述三维有限元模型和管沟参数，获取三向土弹簧刚度模型。

本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的管道穿越断层的土弹簧刚度计算方法，例如包括：建立管道穿越断层的三维有限元模型；基于所述三维有限元模型和管沟参数，获取三向土弹簧刚度模型。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种管道穿越断层的土弹簧刚度计算方法，其特征在于，包括；

建立管道穿越断层的三维有限元模型；

基于所述三维有限元模型和管沟参数，获取三向土弹簧刚度模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立断层作用下管道的三维有限元模型具体包括：

定义管道穿越断层为材料非线性和几何非线性的双重非线性问题，建立管道穿越断层的三维有限元模型，并确定载荷边界条件和管土特性。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在建立管道穿越断层的三维有限元模型之后，所述方法还包括：

基于ASCE指南对所述三维有限元模型进行有效性验证。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于ASCE指南对所述三维有限元模型进行有效性验证，具体包括：

获取三维有限元模型的三向土弹簧刚度计算结果，与采用ASCE指南对于三向土弹簧刚度的计算结果进行比对验证。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三向土弹簧刚度模型包括水平横向土弹簧刚度计算模型、管轴方向土弹簧刚度计算模型和垂直方向土弹簧刚度计算模型。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述水平横向土弹簧刚度计算模型为:

式中，p_s：水平横向单位长度管道外表面所受压力，kN/m；

c：粘土内聚力，MPa；

D：管径，m；

H：管道埋深，m；

ρ₀：沙土密度，kg/m3；

b：加宽裕量，m；

h：垫层厚度，m；

沙土内摩擦角，rad；

β：坡度，rad；

所述管轴方向土弹簧刚度计算模型为：

f_s＝(0.313+1.194H+0.052H²)(-0.616+6.969D-0.623D²)[2.165sin(β)+2.033cos(β)](2.852-0.087b-0.005b²)

式中，f_s表示管轴方向土壤与管道外表面之间单位长度的摩擦力，kN/m；

所述垂直方向土弹簧刚度计算模型包括垂直向上土弹簧刚度计算模型和垂直向下土弹簧刚度计算模型；

其中，垂直向上土弹簧刚度计算模型为：

式中，q_s1表示垂直向上单位长度管道所受压力，kN/m；

垂直向下土弹簧刚度计算模型为：

式中，q_s2表示垂直向下单位长度管道所受压力；ω表示粘土摩擦角。

7.一种管道穿越断层的土弹簧刚度计算装置，其特征在于，包括：

有限元模型建立模块，用于建立管道穿越断层的三维有限元模型；

土弹簧刚度计算模块，用于基于所述三维有限元模型和管沟参数，获取三向土弹簧刚度模型。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述有限元模型建立模块具体用于：

定义管道穿越断层为材料非线性和几何非线性的双重非线性问题，建立管道穿越断层的三维有限元模型，并确定载荷边界条件和管土特性。

9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器、通信接口、存储器和总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过总线完成相互间的通信，处理器可以调用存储器中的逻辑指令，以执行如权利要求7或8所述的方法。

10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求7或8所述的方法。

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