交通荷载作用下输油管线剩余强度计算分析

姜尚宏，王踞峰

（1.中国海洋大学 土木工程系，山东 青岛266100；2，河北省高速公路石黄管理处，河北 石家庄050051）

输油管线运输量大、成本低、占地少、安装技术落后、保护措施较差，且受到外部交通荷载等因素的影响严重，导致使用强度降低，最终出现爆破、渗透等现象。输油管线铺设在地下，一旦出现渗漏、爆破等事故，无法及时进行处理，易造成经济损失，影响正常生活。因此，对输油管线进行剩余强度计算，分析输油管线在交通荷载作用下剩余强度的变化规律至关重要。

1 交通荷载作用下输油管线顶部竖向压力模型

车辆荷载通过车轮施加竖向压力于输油管线，荷载对管顶的附加垂直荷载为均布压力，扩散角一般取30°。在均布车辆荷载作用下，埋深H的管线顶部附加力为

式中:b为车轮宽度，H为输油管线埋深，Q为车轮荷载强度，p为依据扩散角法传递至管顶的车荷载强度，α为扩散角度，具体示意见图1。

图1 轮压荷载分布示意

2 交通荷载作用下输油管线截面应力计算模型

2.1 连续荷载作用下竖向挠度方程

假定输油管线两端受剪力、弯矩等荷载作用。输油管线间任意位置受集中荷载作用如图2所示，将连续荷载看作多个竖向集中荷载作用，得出连续竖向荷载作用下的挠度方程为

式中:f为挠度系数修正项，其值根据管线所受荷载的不同而定；c0为连续竖向荷载左边界距管线左端的距离；c1为沿输油管线轴向所求某截面距管线左端距离。

图2 集中荷载作用

2.2 弯矩及应力的求解

输油管线受管顶土体压力及交通荷载附加压力共同作用，根据波斯顿规范可知，整个输油管线所受荷载示意图如图3所示。

图3 管线所受荷载示意图

假定输油管线的边界约束为固定端约束，输油管线受三个上部外力作用，即土体荷载、左轮压荷载和右轮压荷载。在交通荷载及土体压力作用下输油管线的挠度及转角方程式如式（3）及式（4）所示。

式中:A＝βl，B＝β（l－a），C＝β（l－a－c），D＝β（l－a－c－d），E＝β（l－2c－a－d）.

求解得出沿输油管线轴向任意截面的挠度和转角，再利用式（1）和式（2）得出弯矩及剪力的计算式。在交通荷载作用下垂直于输油管线截面的应力主要由弯矩产生，弯矩作用下的截面应力可由式（5）得出

式中:M为输油管道截面弯矩，y为输油管线截面中性轴高度，I为截面惯性矩。

3 交通荷载作用下的剩余强度计算

假定重型车辆荷载为480kN，轻型车辆荷载为300kN，车轮宽度0.2m，车宽2.6m，输油管线埋深为1.0m。假定输油管线每年所受该种车辆荷载平均作用次数为10 000次。以管径200mm、300 mm及400mm为变量对输油管线在不同交通荷载作用下的受力及疲劳剩余强度进行分析，管线初始强度为400Mpa。

埋深为1.0m时，土体对输油管线顶部施加的均布荷载q＝11kN／m。运用式求解管线顶部所受交通荷载大小及作用范围C。其中∂＝30°，通过计算分别得重型荷载与轻型荷载的p1＝100kN／m，p2＝21kN／m，图3中a＝3.15m，c＝1.2 m，d＝1.3m。运用Matlab程序进行计算，得到输油管线在不同交通荷载作用下的管径分别为D1＝0.2m，D2＝0.3m，D3＝0.4m的挠度曲线如图4所示。

图4 输油管线挠度曲线

运用Matlab程序得到输油管线在管径分别为0.2m，0.3m，0.4m时弯矩曲线如图5所示。

将所得最大正应力

图5 输油管线弯矩曲线

代入式

得出管径0.2m，0.3m，0.4m 时输油管线极限疲劳次数分别为N0.2＝1 004 446 次，N0.3＝13 428 727次，N0.4＝21 477 659次。管线每年所受车辆荷载作用平均次数为10 000次，输油管线的剩余强度的变化规律如图6所示。

图6 输油管线强度衰退情况

受交通荷载作用的影响，输油管线强度随着龄期的增长出现衰退的现象。在埋深1.0m不变的情况下，随着管径的增加，剩余强度与原强度的比值越来越高，剩余强度越大。

4 结束语

1）输油管线的强度衰退受交通荷载作用的影响，随着交通荷载作用次数的增加，输油管线剩余强度也随之降低。

2）对输油管线截面应力计算采用材料力学及弹性地基梁的模型，计算沿输油管线任意截面的挠度和转角，分析在交通荷载和上层土压力的共同作用下，输油管线竖向挠度方程和连续竖向荷载作用下的挠度方程式，确定输油管线任一截面弯矩和截面应力，构建交通荷载作用下输油管线截面应力的计算模型。

3）在分析交通荷载作用下剩余强度计算分析方法的基础上，对某地区的输油管线在不同交通荷载作用下的剩余强度进行计算，以图表的形式展示不同管径下的挠度曲线、弯矩曲线以及强度衰退的情况，随着交通荷载作用次数的增加，管线在循环应力作用下产生的疲劳损伤逐步累积，导致抵抗外部应力的能力、管线剩余强度也随之下降。并对输油管线强度随着龄期的增长而衰退的现象进行介绍。

4）输油管线在轻型荷载和重型荷载作用下挠度曲线，弯矩曲线以及强度衰退情况相似，随着交通荷载作用次数的增加，管线剩余强度也随之下降。管径不同剩余强度下降的比例也不同，管径越大，剩余强度与原强度的比值越小，输油管线的剩余强度越小。

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