【摘要】：隨著經(jīng)濟的快速增長與人民的生產(chǎn)生活需求日益增多,管道結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于液態(tài)、氣態(tài)物資的長距離運輸工程,在我國基礎(chǔ)建設(shè)以及經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。然而,管道在施工及服役階段承受的建筑荷載、超載車輛、海底渦流、地震、撞擊等復(fù)雜荷載將嚴(yán)重影響管道的使用壽命,引起管道失效。管道的突然失效將嚴(yán)重危害人民的生命財產(chǎn)安全,因此,需要建立有效的管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)識別方法揭示管道在復(fù)雜荷載情況下的實時結(jié)構(gòu)響應(yīng)。以管道的實時結(jié)構(gòu)響應(yīng)為依據(jù),實現(xiàn)管道失效形式的有效識別,并以此為依據(jù)評價管道結(jié)構(gòu)狀態(tài),實現(xiàn)管道失效預(yù)警及剩余承載力的評估,便于管道運行維護與災(zāi)害預(yù)防工作的開展。本文采用有限元模型與模型試驗相結(jié)合的驗證方法,基于分布式傳感監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)研究管道變形及局部裂紋失效情況下管道的結(jié)構(gòu)響應(yīng),提出一種管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)識別方法。具體研究工作如下:緒論部分首先闡述了管道結(jié)構(gòu)分布式監(jiān)測和結(jié)構(gòu)狀態(tài)識別的研究意義,著重介紹了管道變形及局部裂紋的產(chǎn)生原因及其引起的管道失效形式。回顧并總結(jié)了近幾十年來管道結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)的國內(nèi)外研究情況,詳細介紹了管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測與識別方法的使用條件和優(yōu)缺點。根據(jù)國內(nèi)外基于分布式光纖傳感技術(shù)的管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測研究,針對管道變形及局部裂紋失效問題給出了本文的主要研究內(nèi)容和研究思路。在管道的運行階段,管道內(nèi)部溫度及壓力變化將引起管道整體屈曲失效,造成石油、天然氣等運輸物資的泄露。因此,第二章基于連續(xù)式管道整體屈曲機理,提出了管道整體屈曲失效模式的監(jiān)測識別方法,用于定量識別管道整體屈曲的產(chǎn)生及發(fā)展過程。基于分布式光纖監(jiān)測方法提取管道彎曲應(yīng)變,識別屈曲形狀并建立管道屈曲變形重構(gòu)算法,實現(xiàn)管道前、后屈曲行為的定量識別。采用數(shù)值模型和模擬試驗驗證提出的管道整體屈曲失效形式的監(jiān)測識別方法的可行性。管道位移的重構(gòu)曲線與數(shù)值模擬結(jié)果及試驗監(jiān)測結(jié)果的對比表明:提出的方法可定量識別管道整體屈曲的產(chǎn)生及發(fā)展過程。在管道的鋪設(shè)及運行過程中,地面超載及土體沉降等情況導(dǎo)致分段式管道產(chǎn)生管口拉脫及過大轉(zhuǎn)角等失效問題,對國家經(jīng)濟建設(shè)及人民的生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重影響。由于分段式管道的結(jié)構(gòu)特殊性,無法采用提出的連續(xù)型管道整體屈曲的監(jiān)測方法進行分布式監(jiān)測識別。因此第三章針對分段式管道彎曲變形引起的管口結(jié)構(gòu)響應(yīng),提出了一種分段式管道彎曲失效結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測識別方法。通過分段式管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)的參數(shù)敏感性分析確認修正項,采用管道彎曲應(yīng)變監(jiān)測值作為響應(yīng)目標(biāo)函數(shù),結(jié)合有限元參數(shù)識別方法反演管口結(jié)構(gòu)狀態(tài),進而在無需監(jiān)測管口變形的情況下實現(xiàn)管身與管口結(jié)構(gòu)狀態(tài)的定量識別。在管道整體屈曲失效監(jiān)測方法基礎(chǔ)上,建立了分段式管道在位狀態(tài)的分布式應(yīng)變監(jiān)測方法。通過全尺寸管道加載試驗驗證該方法監(jiān)測上部荷載或地基沉降作用下分段式管道結(jié)構(gòu)響應(yīng)的可行性。由于荷載、老化和疲勞等因素,管道易出現(xiàn)局部微小裂紋。在交變應(yīng)變及時間的影響下微小裂紋擴展將造成管道斷裂失效。管道的局部裂紋通常表現(xiàn)為局部應(yīng)變異常及結(jié)構(gòu)的非線性振動特性,第四章基于該特點提出了一種基于分布式光纖傳感系統(tǒng)的管道局部裂紋識別方法。針對靜態(tài)管道裂紋定位識別問題,首先通過應(yīng)變異常位置識別管道的局部裂紋,隨后結(jié)合應(yīng)變傳遞原理實現(xiàn)靜態(tài)下管道裂紋的定量分析。針對動態(tài)管道裂紋定位識別問題,結(jié)合“呼吸”裂紋的弱非線性振動特性定位動態(tài)管道的微小裂紋,并根據(jù)諧波分量的變化定量識別裂紋的開展過程,實現(xiàn)動態(tài)下管道裂紋位置及程度的識別,為實際工程中管道的局部裂紋監(jiān)測問題的研究奠定基礎(chǔ)。最后,對本文的研究工作進行總結(jié)和歸納,并對今后的研究工作進行了展望。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TE973
【圖文】：

重大經(jīng)濟損失。因此，需要深入研究管道的失效行為，便于提出針對性的管道結(jié)構(gòu)健逡逑康監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)管道結(jié)構(gòu)失效預(yù)警。管道的主要失效行為可概括為整體彎曲變形與局逡逑部裂紋泄露。對于連續(xù)性管道，管道彎曲變形將引起管道整體屈曲失效（圖１．２（ａ））。逡逑在運輸管道的運行期間管道內(nèi)部溫度及壓力遠高于管道外部環(huán)境最終導(dǎo)致管道承受軸逡逑向壓力。當(dāng)軸壓超過臨界荷載時，管道將會突然發(fā)生彎曲變形形成整體屈曲形態(tài)。隨逡逑著管道整體屈曲變形的發(fā)展終將引起管道斷裂失效。對于分段式管道結(jié)構(gòu)，管道的彎逡逑曲變形將會誘發(fā)管身及接口失效問題（圖１．２（ｂ））。在管道的服役過程中，交通超載、逡逑新建建筑及地下結(jié)構(gòu)施工均會引起管道地基的不均勻沉降，地基土體剛度的變化會直逡逑接轉(zhuǎn)化成管道的彎曲變形。當(dāng)管道最大撓度變形發(fā)生在管道接口位置時，接口兩端會逡逑－２－逡逑

管身變形過大可能會出現(xiàn)連續(xù)管道的屈曲變形，也可能會出現(xiàn)由于管身變形引逡逑起的相鄰接口處的錯位破壞。在管道的實際運行階段，腐蝕、疲勞、老化及各種突發(fā)逡逑沖擊荷載等不利因素的相互影響下產(chǎn)生局部裂紋失效（圖１．２（ｃ）），若不能及時發(fā)現(xiàn)裂逡逑紋的產(chǎn)生并對管道進行有效維護，微小的裂紋將在交變應(yīng)力和時間效應(yīng)的作用下進一逡逑步累加并擴展，直至管道發(fā)生泄露，嚴(yán)重時運輸管道會突然發(fā)生爆裂。逡逑（ａ）管道整體屈曲破壞邐（ｂ）管道承插口破壞逡逑（Ｃ）管道局部裂紋破壞逡逑圖１．２三種主要的管道失效形式逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｔｈｒｅｅ邋ｍａｊｏｒ邋ｔｙｐｅｓ邋ｏｆ邋ｐｉｐｅｌｉｎｅ邋ｄａｍａｇｅ逡逑因此，為保證管道的安全運行，需掌握復(fù)雜荷載下管道的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。結(jié)合管道失逡逑效機理，采用新型監(jiān)測技術(shù)對管道進行定期監(jiān)測，實現(xiàn)管道的結(jié)構(gòu)可靠性評估。先進逡逑科學(xué)的管道健康監(jiān)測系統(tǒng)可以幫助人們及早發(fā)現(xiàn)并準(zhǔn)確掌握管道的變形、微裂紋等情逡逑況，對早期管道結(jié)構(gòu)的異常應(yīng)變響應(yīng)進行預(yù)警，從而修復(fù)管道破損位置，保護人民財逡逑產(chǎn)和生命安全，避免造成重大經(jīng)濟損失，具有重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。逡逑－３－逡逑

【參考文獻】

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本文編號：2721667