来源公众号：材料科研SCI
案例分享
基于ABAQUS的钢顶管屈曲分析
-- 写在前面 --
顶管法施工逐渐朝着大直径、高埋深等趋势发展，容易在施工过程发生屈曲破坏。
采用有限元分析软件ABAQUS建立大直径钢顶管简化模型，采用BUCKLE和RIKS法对钢管进行弹性和弹塑性屈曲分析，探讨出壁厚对钢管稳定性的影响以及钢管在轴压和围压作用下的屈曲模态。
有限元稳定分析方法
钢顶管简化受力分析
顶管施工过程中是钢管和土相互作用的过程，钢管受力情况随时间和顶进距离不断变化。为了方便分析，将受力复杂的钢顶管简化为一个独立结构，而将由液压油缸提供的顶力以及土体对钢管的作用简化为轴向和径向荷载施加在钢管上。
简化之后，钢管所受荷载为管道端部的轴压、管道外壁的围压和管道外壁与土体之间的摩阻力。对于管道外壁的围压，通过现场实测发现，在注浆良好以及泥浆套形成良好的情况下，管道外壁来自周围环境的压力在注浆压力的作用下趋于均匀。
在未采用注浆减阻的情况下，采用摩擦系数来确定摩阻力值；而在采用注浆减阻的情况下，则在顶管的设计计算中一般将其设为一个定值，大小一般为3～30k Pa。故根据以上分析，将管道的外壁围压视为均布围压，管壁摩阻力为均匀分布，管道端部的迎面阻力为均匀轴压。
稳定分析方法
圆柱壳体的屈曲属于分叉屈曲。分叉屈曲是结构在达到临界状态后变得不稳定，直接进行弹塑性计算，则计算结果可能会与实际有很大出入。因此，实际计算中应先对结构引入某种初始缺陷，结构才会按照预先设定好的性态发生屈曲。
基于几何完美和材料参数线性，ABAQUS中的特征值屈曲预测的主要作用是获取结构可能发生的屈曲模态。当结构发生屈曲失稳时，则采用ABABQUS中的改进弧长法来计算结构失稳临界荷载。
所以，本文数值模拟计算步骤为：（1）对钢顶管进行弹性分析，得到钢管可能的屈曲模态。（2）将一阶模态特征值与经典理论解进行对比，并作为初始几何缺陷乘以比例因子代入钢管。（3）进行弹塑性分析。
有限元模型
有限元分析采用ABAQUS中的BUCKLE分析步和RIKS分析步，基本模型的几何尺寸如下：管道长度取200 m来模拟长距离钢顶管，壁厚选取8mm、16 mm、20 mm、34 mm、48 mm。
管道材料采用理想弹塑性模型，弹性模量E=206GPa,泊松比v=0.3，屈服应力σcr=235 MPa。
管道材料采用理想弹塑性模型，采用Q235钢参数为计算基本参数。钢顶管直径和长度都比较大，因此选用三维壳单元来模拟，边界条件统一设置为一端简支，一端固定，计算模型如图1所示。
-- 有限元分析 --
由于有限元网格的类型和尺寸对最终计算结果和计算速率影响较大，故在用有限元进行数值模拟之前，需要预先对网格大小和类型进行一次优化。
此次网格优化拟选用长度为150m的钢管，壁厚为14 mm，网格类型为S4（四边形四节点壳单元）和S8R（四边形八节点缩减积分壳单元）两种作为对比，并选取不同的网格尺寸，计算结果如表1所示。
由表1可知，网格类型为S4，网格尺寸采用0.1 m时，有限元计算结果与经典理论解较为吻合，故在后续计算中均选取此网格类型和尺寸。
故本文对钢顶管稳定分析的计算步骤为：（1）采用Buckle法进行均布围压和轴压作用下钢顶管的特征值计算，得到钢顶管可能发生的屈曲模态。
（2）采用RIKS法进行弹塑性分析，所引入初始缺陷的大小不超过0.01D(D为管道外径），所得弹性和弹塑性计算结果如表2所示。
-- 结果分析 --
长管在均布轴压和均布围压荷载作用下弹性和弹塑性计算结果如表2所示。弹性条件下将特征值计算的结果与经典的弹性屈曲理论值进行对比，可知长管在均布轴压和均布围压下的弹性屈曲荷载与数值模拟计算结果非常吻合。
但弹性承载力并非管道的实际承载力，其未考虑材料非线性及几何非线性。管道实际的承载力需要将初始缺陷加入管道模型中，并考虑材料的塑性。
在引入初始缺陷后,长距离管道在均布轴压作用下管道极限承载力与屈服理论值相差不小。说明长距离管道在轴压作用下，其极限承载力由其材料的屈服强度决定。长距离管道在均布围压作用下，缺陷的代入会使得管道极限承载力减小，逐渐趋于一稳定值。
由图2可知，在轴压荷载作用下，钢管整体屈曲模态与欧拉管较为接近。由图3可知，在围压作用下，长钢顶管呈现局部屈曲特征。