拉、弯及内压耦合作用下管道胶圈接口的力学行为与失效机理

地下管道在地震、地质灾害和地下工程开挖事故中极易受到破坏，造成严重的经济损失和次生灾害，成为生命线工程防灾减灾研究亟待研究的难题。本项目以地下管道胶圈柔性连接为研究对象，通过实验和理论研究，揭示其在拉、弯及内压耦合作用下的非线性力学行为和失效机理。主要研究：橡胶材料应变能函数的合理选择和自主开发，超弹性材料常数的科学标定与本构方程的建立；进行管道胶圈接口的等效模拟实验、足尺试验和考虑各种复杂因素下失效历程的数值模拟。分析管道与橡胶圈的接触、摩擦、滑动等效应，管道胶圈柔性连接的非线性刚度表达形式；管道胶圈接口失效机理和失效模式分析、抗力及其统计特征分析；建立管道胶圈柔性连接的非线性力学模型和失效准则，为地下管道在场地灾害环境下的非线性反应分析、防灾减灾设计方法和设计标准的发展提供理论依据和关键技术参数。也可为含橡胶材料复杂结构的研究提供有效的本构方程。

地下管道在地震、地质灾害和城市地下空间开发引起的地面大位移下，极易发生破坏，造成严重的经济损失和次生灾害，成为严重制约城市可持续发展的难题。本项目对地下管道胶圈柔性接口的非线性力学行为和密封失效机理进行了系统的实验和理论研究，主要研究内容和创新成果为：1）对管道柔性接口橡胶密封圈材料进行了单轴拉伸、平面拉伸和双向非等比拉伸试验研究，探讨了超弹性材料应变能函数的合理选择，标定了超弹性材料常数，扩展了ABAQUS的材料本构关系库；2）提出了一种超弹性材料的双变量非等比拉伸实验方法，通过对高阶多项式应变能函数的推导，给出由两个独立的应变张量不变量表示的材料常数拟合公式，可以通过简单的测试两个变形量获得两个独立变量，并研制了相应的变形测量装置和测量方法。3）进行了橡胶材料基本力学性能模拟试验，管道柔性接口装配过程和管道胶圈接口失效历程的数值模拟；分析了装配应力、管道与胶圈的接触、摩擦、滑动等因素对管道胶圈接口力学性能的影响；通过实验与数值模拟的对比研究，验证了以数值模拟辅助实验或减少实验成本的有效性。4）对DN80、100、150、200和300的球墨铸铁管道胶圈接口组件进行了轴向拉伸、横向弯曲和偏心拉弯的足尺试验，分析了其在轴向、横向位移和内压耦合作用下的力学行为和失效历程。通过试验研究和理论分析，给出了球墨铸铁管道橡胶圈的超弹性材料的本构关系，提出了管道柔性接口的非线性力学模型和拉弯耦合刚度矩阵。项目通过学科的交叉创新，拓展了分析思路和方法，研究成果为柔性连接管道的抗震设计理论和设计标准的发展提供理论基础和关键技术参数, 也可为含橡胶材料复杂结构的研究提供相应的思路和参考依据，具有重要的理论意义和工程实用价值。