海底輸水管道內(nèi)力分析

祁峰 徐海寧 王恒棟

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司第二設(shè)計(jì)研究院 200092)

引言

隨著全球化經(jīng)濟(jì)來臨,島嶼經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛,已成為對(duì)外開放和交流的紐帶和前沿。但眾多島嶼受地理位置和自然氣候的影響,水資源相對(duì)貧乏,海底輸水管道是解決島域水資源不足的重要環(huán)節(jié)。為確保海底輸水管道施工質(zhì)量和供水安全,認(rèn)真研究和分析其內(nèi)力情況是十分必要的。本文主要研究PE 管在海底敷設(shè)后所受各種荷載下產(chǎn)生的應(yīng)力[1],并通過荷載組合并利用材料力學(xué)的第四強(qiáng)度理論建立最大應(yīng)力計(jì)算公式。本文研究的前提是假設(shè)PE 管處于小應(yīng)變狀態(tài),且在此前提下PE 管的受力與變形滿足虎克定律。

1 內(nèi)壓

管道內(nèi)壓力將在管壁上形成沿環(huán)向、縱向兩個(gè)方向的內(nèi)力。縱向拉力與管道的可移動(dòng)性有關(guān)(固定或自由移動(dòng))。

1.1 環(huán)向內(nèi)力

管道內(nèi)力在管壁環(huán)向只產(chǎn)生拉力(N),而不會(huì)產(chǎn)生剪切力。如圖1 所示。

圖1 管道橫斷面的靜力分析Fig.1 Static analysis of pipeline cross section

通過積分運(yùn)算得到以下受力平衡公式:

式中:N為環(huán)向拉力;p為管內(nèi)壓強(qiáng);Dm為平均直徑。

環(huán)向應(yīng)力以及壁厚的求解公式如下:

因Dm=D-S,所以:

式中:σr為環(huán)向應(yīng)力;S為管道壁厚;D為管道外徑。

已知管內(nèi)壓應(yīng)力的前提下,管道環(huán)向應(yīng)力的求解公式如下:

此處SDR為標(biāo)準(zhǔn)尺寸率,即管道外徑與管道壁厚的比值:

1.2 縱向內(nèi)力

圖2 所示為管道在內(nèi)力作用下的應(yīng)力和應(yīng)變。

圖2 管道在內(nèi)力作用下的應(yīng)力和應(yīng)變Fig.2 Stress and strain of pipeline under internal force

在沒有外力約束的情況下,管道由于內(nèi)部介質(zhì)壓力作用會(huì)產(chǎn)生縱向應(yīng)力,使管道產(chǎn)生軸向收縮變形。……