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直埋热水供热管道由于受到周围土壤的位移约束作用,导致管道工作升温时其内层钢管的热膨胀力得不到完全释放,从而在钢管中会产生很大的应力。钢管应力过大会影响管道寿命和相关市政设施的安全。本论文针对直埋热水供热管道与土壤相互作用的复杂性,围绕多层结构直埋热水供热管道的应力特性展开研究。首先,利用直埋热水供热管道应力分析原理对大口径直埋热水供热管道进行了原位实验,并对聚氨酯保温材料的力学性能参数进行了实验测定;其次,利用大型通用有限元软件ANSYS建立了多层结构直埋热水供热管道及单层结构直埋热水供热管道的热-力耦合有限元模型;最后,应用该模型对直管段及管件的应力特性进行了全面计算分析,得到了一些有价值的成果。本论文的主要研究工作如下:1.通过在管道表面粘贴金属应变片的方法,采用无线远传技术对首次运行的直埋热水供热管道进行了一个采暖季的应力测试,得到了管道截面应力变化和管土摩擦系数变化规律。应力实测数据分析表明:对于沟埋管道,靠近沟壁的管道表面与背离沟壁的管道表面应力变化特点不同,不能认为管道同一断面处各点应力状态相同;摩擦系数受到温度影响,造成这一影响的主要原因是土压力随温度的变化,给出了受温度影响的摩擦系数表达式。2.鉴于现行分析方法未考虑聚氨酯对多层结构直埋热水供热管道的影响,因此本论文提出了单轴压缩实验以测试聚氨酯力学性能,得到了聚氨酯的力学性能特性和参数。研究表明:聚氨酯的压缩呈现出典型的弹性阶段、塑性阶段和应力强化阶段,而且塑性阶段的平台区较长,随着密度增大,应力强化阶段的范围也在扩大。3.利用大型通用有限元软件ANSYS,建立了管土热-力耦合有限元模型,分析了直管及管件的应力变化规律。研究表明:管土接触分析模型的摩擦力计算结果与实测结果较为接近,而土弹簧模型摩擦力计算结果偏小;多层管道的位移和当量应力计算结果与单层管道有较大区别,聚氨酯保温层对多层结构直埋热水供热管道的作用不能忽略;弯头一次应力随内压、管道壁厚和弯头曲率半径变化;弯头二次应力随温升、管道壁厚、弯头曲率半径和弯头端部位移变化,受内压影响较小;三通一次应力随内压、管道壁厚和支管管径变化;三通二次应力随温升、管道壁厚、支管管径和支管长度变化,受内压影响较小;锚固段三通峰值应力过大,应采取加固措施;采用弯头代替对焊折角后,可使最大当量应力降低;增加埋深和地面荷载有助于减少三通的二次应力。4.基于管土热-力耦合有限元模型给出了直埋热水供热管道的应力验算具体方法,通过管土作用分析对管件的接管长度进行了简化。研究表明:弯头内压一次应力与直管不同,应进行验算;弯头二次应力、三通一次应力和二次应力均应采用管土热-力耦合有限元模型进行验算;长弯臂对弯头的作用可以用位移荷载替代,长接管对三通的作用可以用力荷载替代。