Page 159 - 《爆炸与冲击》2026年第3期

第 46 卷 费鸿禄，等： 落石冲击作用下埋地管道的动力响应分析 第 7 期

从图 20～21 可以看出，管径为 30.5 cm 时， 300 16
Maximum mises stress
管道最大应力和应变最小，分别为 153.2 MPa 和 250 Maximum strain
6.64×10 ；管径增大至 111.7 cm 时，管道最大应 12
−4
−3
力和应变分别为 245.2 MPa 和 1.11×10 ，管道所 200
受最大应力和应变随着管径的增大逐渐增大，且 Mises stress/MPa 150 8 Strain/10 −4
增长幅度逐渐减缓。由此可知，保持埋设深度一 100
定时，管径尺寸越大，埋地管道所受冲击荷载的 4
50
影响效应越强，结构受力与破坏风险明显提升。
0 0
这是由于落石冲击荷载一定时，管径增大使管道 30 50 70 90 110
Pipe diameter/cm
与土体的接触面积增大，土体分散荷载范围减
小、吸收能量效率降低，更多冲击能量传递至管 图 21 最大 Mises 应力和最大应变随管道直径变化
道，致使管道所受最大应力、应变增大。此外， Fig. 21 Variation of maximum Mises stress and strain
with pipeline diameter
由于管道壁厚不变，管径越大管道的薄壁效应越
明显，受到冲击荷载作用更容易导致应力集中产生变形。
2.4.3 管道内压对管道动力响应规律的影响
为分析内压对管道受落石冲击的影响，建立落石冲击不同内压埋地管道数值模型。选取管道内压
p 范围为 0～8 MPa，落石冲击速度为 15 m/s，其他条件不变。截取管道在不同内压影响下的最大时刻
Mises 应力云图，如图 22 所示。根据数值模拟结果，绘制不同内压影响下管道最大 Mises 应力和最大应
变曲线，如图 23 所示。
Stress/MPa Stress/MPa Stress/MPa

197.76 229.16 249.16
186.01 218.74 241.37
174.42 208.37 233.64
162.73 198.06 225.81
151.03 187.62 218.06
139.36 177.34 210.37
127.64 166.93 202.58
115.93 156.52 194.83
z 104.26 z 146.27 z 187.05
92.47
179.26
135.86
x y 80.78 x y 125.47 x y 171.53
(a) p=4.0 MPa (b) p=6.0 MPa (c) p=8.0 MPa
图 22 落石冲击不同内压下的管道最大 Mises 应力云图
Fig. 22 Maximum Mises stress contours of pipelines under different internal pressures subjected to rockfall impact
从图 22～23 可以看出，管道最大应力、最大应变随内压升高呈“前期平缓、后期加速”的非线性
增 长 ， 且 内 压 越 高 ， 单 位 内 压 增 量 引 发 的 应 力 、 应 变 增 量 越 大 。 管 道 无 内 压 时 ， 管 道 最 大 应 力 为
186 MPa，最大应变为 8.06×10 ；施加 1 MPa 内压 300 25
−4
后 ， 最 大 应 力 降 至 179.5 MPa， 最 大 应 变 减 至 Maximum mises stress
250 Maximum strain
7.78×10 ，降幅分别为 6.5 MPa 和 2.81×10 。但 20
−5
−4
随着内压持续升高，管道应力应变随之上升，当 200 15
内压高于 6.0 MPa 后，管道进入塑性阶段，应力 Mises stress/MPa 150 Strain/10 −4
增幅趋缓，应变显著增大。总体而言，管道最大 100 10
应力和应变随内压上升而增大。低内压对管道
50 5
的影响相对较小，且内压产生的均匀向外膨胀作
用可提高管道整体刚度，从而在一定程度上增 0 0 2 4 6 8 0
强其抵抗冲击荷载的能力；当存在较高内压时， Pipeline internal pressure/MPa
运输管道处于较高的初始应力状态，遇到冲击荷 图 23 最大 Mises 应力和最大应变随管道内压变化
载叠加作用更容易发生屈服变形，影响管道安全 Fig. 23 Variation of maximum Mises stress and strain
运行。 with internal pressure of pipeline

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