加劲式压力钢管临界外压数值计算方法

摘要

压力钢管是水利水电工程中常见的衬砌类型，其外压稳定性至关重要。为构建加劲式压力钢管临界外压有限元准确计算方法，提出多环建模、分段约束的数值求解模型，将计算结果与Mises理论公式、规范公式展开对比讨论；考虑复杂外部约束环境，全面探究加劲环位置不同约束方案对钢管抗外压能力的影响，并基于数值求解方案研究加劲环对钢管管壁临界外压的增强作用及其有效约束长度，结合光面管的屈曲临界外压公式进一步提炼一种加劲式压力钢管管壁临界外压快速计算方法。结果表明：有限元软件ABAQUS中的特征值屈曲计算具有较高的准确度，与Mises公式计算结果保持较好的一致性，而规范采用的简化式计算结果会随着钢管屈曲波数的变化与Mises公式存在不同程度的差异；针对不同径厚比的加劲式压力钢管，其管壁临界外压随着加劲环位置约束作用的提高而增大，随着加劲环间距、钢管半径与钢管厚度比值的增大而逐渐减小，且当加劲环间距大于20 m后不再发生明显的波动现象，逐渐失去约束作用；本文提出的加劲式压力钢管管壁临界外压快速计算方法可同时应用于光面管和加劲环管，与相关Mises理论公式、规范公式相比，具有准确性高、计算简单、方便使用的特点，可为实际工程中钢管管壁临界外压计算提供一种新的选择。

关键词

有限元 / 特征值屈曲 / 临界外压 / Mises理论

基金资助

国家自然科学基金重点项目（51879207;51579194）