球墨铸铁管道胶圈柔性接口的力学性能试验研究

论文摘要

随着经济的高速发展和城市化进程的不断推进，地下管网系统发挥着越来越重要的作用。然而埋地管道在地震或其他自然灾害作用下，极易受到破坏，并产生各种严重的次生灾害，给城市人民的生活以及生命财产安全带来严重的危害，已成为生命线工程防灾减灾研究领域亟待解决的难题，并严重制约着城市的可持续发展。我国的地下管道，大多都没有经过正规的抗震设计，尤其是目前我国对管道柔性接口的抗震设计规范，也是仅考虑了单一的轴向拉伸破坏模式，既没有考虑其它各种破坏模式的耦合作用，也没有考虑管道直径的尺度效应影响。该设计方法与我国地上建筑抗震设计理论相比显得相对滞后，与地下管道作为生命线工程的重要地位明显不符，这主要是缺乏必要理论和试验研究支持。因此，加大对地下管道抗震基础理论的研究力度，开展分段管道柔性接口各种力学性能的研究，具有重要的现实意义和应用价值。本文在综合分析了国内外研究现状的基础上，以我国供水系统常用的球墨铸铁管道胶圈柔性接口为切入点，对管道接口进行了横向加载和内压作用下的弯曲耦合试验，分析了胶圈柔性接口的破坏模式，失效机理，主要开展了以下研究工作：1.总结了国内外埋地管道的研究现状，综合分析了埋地管道的破坏特征和地震动效应，阐述了分段管道柔性接口的失效机理和各种破坏模式；2.针对我国目前常用的球墨铸铁管道，总结分析了其材料的基本力学性能、接口类型和使用特点，探讨了接口连接密封胶圈的重要性，并测定了接口胶圈橡胶材料的弹性模量；3.对我国市政工程常用的DN150、DN200、DN300三种管径球墨铸铁管道胶圈柔性接口进行了内压作用下的弯曲耦合试验。研究分析了接口在横向荷载作用下的受力特性、失效极限状态，并分析了接口转角和弯矩的相互关系；4.基于最小二乘法，对试验数据进行整理、分析，并建立了管道接口处的弯曲力学模型，该模型简单实用，既可用于管道接口的弯曲受力判定，也可对现役管道接口进行健康诊断；5.根据试验数据，简化柔性接口力学模型，建立了管道柔性接口的非线性刚度矩阵，为管道柔性接口的数值模拟研究提供了技术支持。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状概述
• 1.2.1 理论研究方面
• 1.2.2 试验研究方面
• 1.3 课题的提出
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 地下管道的地震失效模式和接口抗震验算
• 2.1 引言
• 2.2 地下管道失效与破坏机理分析
• 2.2.1 地下管道的地震反应特性
• 2.2.2 地下管道的破坏类型
• 2.2.3 影响地下管道破坏的主要因素
• 2.3 埋地管道的接口抗震验算
• 2.3.1 地震引起的接口位移
• 2.3.2 管道接口位移允许值
• 2.4 小结
• 第三章 球墨铸铁管道柔性接口基本性能
• 3.1 引言
• 3.2 球墨铸铁管基本性能
• 3.2.1 管体强度
• 3.2.2 球墨铸铁管柔性接口特点
• 3.3 球墨铸铁管道柔性接口受力模式
• 3.3.1 轴向机理分析
• 3.3.2 弯曲机理分析
• 3.4 接口胶圈橡胶材料弹性模量测定
• 3.4.1 测定方案
• 3.4.2 测定结果
• 3.5 小结
• 第四章 球墨铸铁管道胶圈柔性接口试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 试验方案设计
• 4.2.1 试验目的
• 4.2.2 试验方法
• 4.3 试验准备
• 4.3.1 试验管件制作
• 4.3.2 试验设备与仪器
• 4.3.3 压力传感器的标定
• 4.3.4 管道试件的安装
• 4.3.5 管道的就位与调整
• 4.3.6 传感器的安装
• 4.4 试验过程
• 4.5 试验结果与分析
• 4.5.1 接口弯矩与转角关系
• 4.5.2 接口转角与弯曲刚度分析
• 4.5.3 接口弯矩和管口应力关系
• 4.5.4 接口弯矩和轴向位移关系
• 4.5.5 柔性接口回弹率对比
• 4.6 小结
• 第五章 球墨铸铁管道胶圈柔性接口的弯曲力学模型
• 5.1 引言
• 5.2 力学模型理论基础
• 5.3 最小二乘法原理及评价标准
• 5.4 基于试验数据的曲线拟合
• 5.4.1 DN150 管径试验数据拟合
• 5.4.2 DN200 管径试验数据拟合
• 5.4.3 DN300 管径试验数据拟合
• 5.5 弯曲力学模型建立
• 5.6 力学模型与试验数据的对比
• 5.7 小结
• 第六章 管道柔性接口的刚度矩阵
• 6.1 引言
• 6.2 柔性接口简化计算模型
• 6.3 接口刚度矩阵分析
• 6.4 基于试验数据的柔性接口刚度矩阵
• 6.4.1 轴向刚度系数
• 6.4.2 弯曲刚度系数
• 6.4.3 柔性接口刚度矩阵
• 6.5 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 概述
• 7.2 本文研究总结
• 7.3 需要进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历