管道撞击钢筋混凝土板试验研究与数值模拟.pdf

该【管道撞击钢筋混凝土板试验研究与数值模拟 】是由【小屁孩】上传分享，文档一共【10】页，该文档可以免费在线阅读，需要了解更多关于【管道撞击钢筋混凝土板试验研究与数值模拟 】的内容，可以使用淘豆网的站内搜索功能，选择自己适合的文档，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此文档到您的设备，方便您编辑和打印。 : .
管道撞击钢筋混凝土板试验研究与数值模拟--第1页
结 构 工 程 师 Vol. 40 ， No. 1
第 40 卷第 1 期
2024 年2 月 Structural Engineers Feb. 2024
管道撞击钢筋混凝土板试验研究与数值模拟
朱景创1 胡文军1，2，* 陶俊林1 徐国飞3 张方举2 盛 峰 3
（，绵阳 621010； ，绵阳 621010；
，北京 100840）
摘 要 针对管道破裂对邻近建筑结构的影响，开展了管道撞击钢筋混凝土板试验研究，获得了端部封
闭和未封闭管道垂直撞击钢筋混凝土靶的开坑深度及不同位置的应变时间历程曲线及加速度时间历程
曲线，并利用有限元软件进行了仿真计算，分析了管道撞击速度和撞击角度对钢筋混凝土板冲击响应和
破坏形态的影响。结果表明： 端部未封闭管道垂直撞击造成的钢筋混凝土开坑面积和开坑深度最大，钢
筋混凝土板出现钢筋被剪断的现象；端部未封闭管道撞击角度的变化会对撞击力和撞击位置上下两侧
的开坑深度均有影响， 且上侧的开坑深度对角度的变化更为敏感。研究结果可为建筑物内管道设计和
维护提供参考。
关键词 冲击荷载， 钢筋混凝土， 高能管道， 数值模拟
Experimental Study and Numerical Simulation of Pipeline
Impact on Reinforced Concrete Slab
ZHU 　Jingchuang1 HU 　Wenjun 1，2，* TAO 　Junlin1 XU 　Guofei3 ZHANG 　Fangju2 SHENG　Feng3
（ of Civil Engineering and Architecture， Southwest University of Science and Technology， Mianyang 621010，
China； and Vibration of Engineering Materials and Structures Key Laboratory of Sichuan Province，
Mianyang 621010， China； Nuclear Power Engineering Co.，LTD. ， Beijing 100840， China）
Abstract To study the influence of pipeline rupture on adjacent building structures， an experimental study of
pipeline impact on reinforced concrete slab was carried out. The opening pit depth of both unclosed and closed
pipes during vertical impacts on reinforced concrete slab targets， as well as the strain time history curves and
acceleration time history curves at different positions were obtained. The influence of pipeline impact velocity
and impact angle on the impact response and damage patterns of reinforced concrete slabs were analyzed using
finite element method. The results show that the vertical impact of the unclosed pipe end has the largest pit
area and depth， and the reinforcement bar shows shear failure in the reinforced concrete slab. Changing the
impact angle of the unclosed pipe end will affect the impact force and pit depth on both sides of the impact
position. Especially， the pit depth of the upper side is more sensitive to the change of impact angle. The
research results can provide a reference for the design and maintenance of pipelines in buildings.
Keywords impact load， reinforced concrete， high energy pipeline， numerical simulation
收稿日期： 2023-02-10
作者简介： 朱景创（1998-），男，硕士研究生， 主要研究内容为结构工程。 E-mail：*****************
* 联系作者： 胡文军（1966-），男，研究员，博士， 主要从事材料力学行为研究。 E-mail：*************.com
管道撞击钢筋混凝土板试验研究与数值模拟--第1页 : .
管道撞击钢筋混凝土板试验研究与数值模拟--第2页
Structural Engineers Vol. 40， No. 1 Experiment Study
·126·
开展安全壳在管道垂直撞击下的研究。由于安全
0 引 言
壳结构尺寸大、 半径大， 曲率小， 因此本文将安全
壳简化为钢筋混凝土板， 通过开展直径为 219 mm
管道是石油、天然气、核电站、化工厂房主要的管道撞击钢筋混凝土靶板实验， 研究混凝土靶
流体运输方式之一，这些管道在长期服役过程中体与管道的变形破坏情况； 建立有限元程序进行
由于其他物体撞击、内部缺陷、管道老化，疲劳应 数值模拟，对比在不同工况下的管道、 钢筋及钢筋
力或遭遇地震等偶然事故工况下，有可能产生破混凝土靶板的破坏情况， 验证有限元模型的可靠
裂。管道发生破裂时，内部流体将从破口处高速性； 最后通过数值模拟， 研究管道不同撞击速度和
喷射出来并伴随产生巨大的喷射反作用力，管道 倾角对钢筋混凝土板的开坑深度和撞击力峰值的
在喷射反力的作用下会对周围重要建筑物及管道影响，获得管道速度、 倾角与开坑深度之间的关
邻近设施产生高速碰撞，严重影响管道周围设施系，为评估安全壳的抗管道撞击性能提供参考。
的安全性。
1 试验研究
管道撞击可以分为其他物体撞击管道和管道
撞击其他物体。在理论研究方面，刘锋等［1］考虑
管道内部介质和内压的影响，推导出了适应管道 采用 250 mm口径空气炮发射管道， 进行管道
大变形的控制方程； 丁凯等［2］通过有限差分理论 对钢筋混凝土板的撞击试验， 并采用高速数字摄
推导理论解，并与有限元模拟进行对比，对管道甩 像机获取管道撞击姿态。通过试验， 获取管道撞
击动能的分析方法进行研究。赵玉良等 ［3］，路国 击钢筋混凝土板在不同工况下的开坑情况以及管
运［4］通过试验研究了管道在不同撞击能量下的管 道、钢筋与钢筋混凝土板的破坏情况。
道破坏模式，并考虑管道内压等因素的影响。
Yang等 　试件设计　
［5］通过利用弹簧释放弹性能向管道传递角
速度，研究管道柱面撞击对其他管道的撞击响应， 试件设计参照某新型核电站的安全壳混凝土
考虑了弹管与靶管管道厚度、 撞击位置、 撞击速度 厚度和布筋情况， 按 1∶（3～4）比例设计，管道材
等因素的影响； Hsu等［6］和 Garcia等［7］分别对钢板 料取核电站主管道相同的材质， 直径和厚度也按
1∶（3～4）比例设计，长度取代表性尺寸。具体设
以及钢筋混凝土板进行限制的管道甩击试验， 还
利 用 爆 炸 索 引 发 管 道 破 裂 ，进 行 了 直 径 为 计如下：
mm管道对不同厚度混凝土板对管道柱面撞
管道尺寸为 219 mm×400 mm、壁厚16 mm，管
击的限制效果进行了研究， 给出了影响甩击效果 道材料为 P280GH。将管道视作弹体， 弹体一端
的混凝土板参数。文献 ［8-10］研究了管道内压、 封闭，一端未封闭，具体尺寸见图 1。
外压、环空率、 不同撞击能量等对管道在侧向荷载
下结构响应的影响。也有研究人员考虑管道在产
生破口后对防甩件的撞击作用， 分析防甩件的材
料、形式等对防甩击性能的影响 ［11-13］。管道在甩
击过程中，当防甩件失效时， 还会对周围管道、 土
建结构等进行侧向撞击， 有学者研究了核电站的
高能管道破裂后管道对周围电气厂房和钢筋混凝
土柱的柱面撞击作用 ［14-15］。 图1　管道模型图（单位：mm）
　Pipeline model diagram （Unit：mm）
当前对管道的撞击研究主要针对管道在撞击
下的破坏模式以及管道对周围结构的柱面撞击效 钢筋混凝土靶体材料为 C60混凝土和钢筋；
应。而核电站安全壳作为防止核泄漏的最后一道 靶体为 1 500 mm×1 500 mm×460 mm的长方体。
屏障， 具有不可或缺的作用， 需要考虑安全壳在最 钢筋混凝土靶体配筋示意图见图 2。钢筋采用
HRB400，标称直径10 mm，靶体内外侧均配置水
不利情况下的管道撞击影响。管道在极端情况下
会出现管道端面垂直撞击安全壳的情况， 有必要 平、竖向各三层直径为 10 mm、间距为 100 mm的
管道撞击钢筋混凝土板试验研究与数值模拟--第2页 : .
管道撞击钢筋混凝土板试验研究与数值模拟--第3页
·试验研究· ·127· 结构工程师第 40 卷 第 1 期
螺纹钢筋。
　管道撞击试验验　
试验发射装置为带装弹仓的 250 mm口径空气
炮，该空气炮由进气阀、低压室、高压室和炮管组
成，试验中在靶前布置高速数字摄像机拍摄管道的
飞行姿态，并利用数据采集系统记录应变测试仪、
加速度传感器的时程曲线，试验系统示意图见图4。
管道撞击速度参照新型核电站主管破裂的速度设
定，共开展3 发试验，其中管道撞击端封闭的 1 发
（ZP-01），速度为122 m/s，撞击端未封闭的 2发（ZP-
02、ZP-03），速度分别为125 m/s和 129 m/s，每发撞
击试验记录不同位置的应变及加速度时间历程曲
线，测量钢筋混凝土板的开坑深度、开坑尺寸。
图2　钢筋分布示意图 图4　试验系统示意图
　Diagram of reinforcement layout 　Schematic diagram of experimental system
　试验结果　
筋（M6×10 mm）， m，用于安装加速度
图 5 为高速摄影机记录下的速度为 129 m/s
计，加速度传感器安装位置分别位于混凝土靶板