來源公衆号：材料科研SCI
案例分享
基于ABAQUS的鋼頂管屈曲分析
-- 寫在前面 --
頂管法施工逐漸朝着大直徑、高埋深等趨勢發展，容易在施工過程發生屈曲破壞。
采用有限元分析軟體ABAQUS建立大直徑鋼頂管簡化模型，采用BUCKLE和RIKS法對鋼管進行彈性和彈塑性屈曲分析，探讨出壁厚對鋼管穩定性的影響以及鋼管在軸壓和圍壓作用下的屈曲模态。
有限元穩定分析方法
鋼頂管簡化受力分析
頂管施工過程中是鋼管和土互相作用的過程，鋼管受力情況随時間和頂進距離不斷變化。為了友善分析，将受力複雜的鋼頂管簡化為一個獨立結構，而将由液壓油缸提供的頂力以及土體對鋼管的作用簡化為軸向和徑向荷載施加在鋼管上。
簡化之後，鋼管所受荷載為管道端部的軸壓、管道外壁的圍壓和管道外壁與土體之間的摩阻力。對于管道外壁的圍壓，通過現場實測發現，在注漿良好以及泥漿套形成良好的情況下，管道外壁來自周圍環境的壓力在注漿壓力的作用下趨于均勻。
在未采用注漿減阻的情況下，采用摩擦系數來确定摩阻力值；而在采用注漿減阻的情況下，則在頂管的設計計算中一般将其設為一個定值，大小一般為3～30k Pa。故根據以上分析，将管道的外壁圍壓視為均布圍壓，管壁摩阻力為均勻分布，管道端部的迎面阻力為均勻軸壓。
穩定分析方法
圓柱殼體的屈曲屬于分叉屈曲。分叉屈曲是結構在達到臨界狀态後變得不穩定，直接進行彈塑性計算，則計算結果可能會與實際有很大出入。是以，實際計算中應先對結構引入某種初始缺陷，結構才會按照預先設定好的性态發生屈曲。
基于幾何完美和材料參數線性，ABAQUS中的特征值屈曲預測的主要作用是擷取結構可能發生的屈曲模态。當結構發生屈曲失穩時，則采用ABABQUS中的改進弧長法來計算結構失穩臨界荷載。
是以，本文數值模拟計算步驟為：（1）對鋼頂管進行彈性分析，得到鋼管可能的屈曲模态。（2）将一階模态特征值與經典理論解進行對比，并作為初始幾何缺陷乘以比例因子代入鋼管。（3）進行彈塑性分析。
有限元模型
有限元分析采用ABAQUS中的BUCKLE分析步和RIKS分析步，基本模型的幾何尺寸如下：管道長度取200 m來模拟長距離鋼頂管，壁厚選取8mm、16 mm、20 mm、34 mm、48 mm。
管道材料采用理想彈塑性模型，彈性模量E=206GPa,泊松比v=0.3，屈服應力σcr=235 MPa。
管道材料采用理想彈塑性模型，采用Q235鋼參數為計算基本參數。鋼頂管直徑和長度都比較大，是以選用三維殼單元來模拟，邊界條件統一設定為一端簡支，一端固定，計算模型如圖1所示。
-- 有限元分析 --
由于有限元網格的類型和尺寸對最終計算結果和計算速率影響較大，故在用有限元進行數值模拟之前，需要預先對網格大小和類型進行一次優化。
此次網格優化拟選用長度為150m的鋼管，壁厚為14 mm，網格類型為S4（四邊形四節點殼單元）和S8R（四邊形八節點縮減積分殼單元）兩種作為對比，并選取不同的網格尺寸，計算結果如表1所示。
由表1可知，網格類型為S4，網格尺寸采用0.1 m時，有限元計算結果與經典理論解較為吻合，故在後續計算中均選取此網格類型和尺寸。
故本文對鋼頂管穩定分析的計算步驟為：（1）采用Buckle法進行均布圍壓和軸壓作用下鋼頂管的特征值計算，得到鋼頂管可能發生的屈曲模态。
（2）采用RIKS法進行彈塑性分析，所引入初始缺陷的大小不超過0.01D(D為管道外徑），所得彈性和彈塑性計算結果如表2所示。
-- 結果分析 --
長管在均布軸壓和均布圍壓荷載作用下彈性和彈塑性計算結果如表2所示。彈性條件下将特征值計算的結果與經典的彈性屈曲理論值進行對比，可知長管在均布軸壓和均布圍壓下的彈性屈曲荷載與數值模拟計算結果非常吻合。
但彈性承載力并非管道的實際承載力，其未考慮材料非線性及幾何非線性。管道實際的承載力需要将初始缺陷加入管道模型中，并考慮材料的塑性。
在引入初始缺陷後,長距離管道在均布軸壓作用下管道極限承載力與屈服理論值相差不小。說明長距離管道在軸壓作用下，其極限承載力由其材料的屈服強度決定。長距離管道在均布圍壓作用下，缺陷的代入會使得管道極限承載力減小，逐漸趨于一穩定值。
由圖2可知，在軸壓荷載作用下，鋼管整體屈曲模态與歐拉管較為接近。由圖3可知，在圍壓作用下，長鋼頂管呈現局部屈曲特征。