P-Delta效应对管道应力分析的影响

一根12m长的管道，两端固定，管内充满水。在重力作用下，两端的固定点是否会受到轴向力的作用？您的回答一定是肯定的。但我建议您用常用的管道应力分析软件算一下看看软件计算结果和您想的是否一样。

您计算完可能会发现，上述情况两端固定点所受轴向力软件计算结果竟然为0。这是为什么呢？因为您所使用的软件不具备P-Delta分析功能，无法考虑管道的真实受力情况。

什么是P-Delta效应？

P-Delta是一种几何非线性效应，在建筑结构上通常称为重力二阶效应，即：建筑结构在水平风荷载或水平地震作用下产生侧移，重力荷载由于该侧移而引起附加效应。P-Delta效应可使结构的位移和内力增加，甚至导致结构失稳。

对于管道系统，同样存在二阶效应。对于竖直管道，其情况与建筑结构类似。对于水平管道，靠近弯头的管道存在横向位移，管道温度、压力、摩擦等荷载产生的轴向荷载由于该位移也会引起附加效应。

影响管道二阶效应的主要因素是管道的横向刚度和轴向荷载。如果不考虑P-Delta效应，计算模型中的平衡方程针对管道未变形的形状考虑。此时，管道的荷载—变形关系是线性的，程序使用未变形的几何形状形成平衡方程。如果考虑P-Delta效应，计算模型中的平衡方程将考虑管道的变形形状。此时，管道中存在较大应力，以初始形状和较小变形后的几何形状来形成的平衡方程都会存在很大差异。其中，拉力趋向于抵抗单元的转动和使结构刚化，压力趋向于增加单元的转动和使结构失稳。

建筑结构设计在十几年前即考虑P-Delta效应，而管道行业至今还没有重视。比如，当问到你知道PΔ效应吗？有的工程师会回答，你是说ΔP（压降）吗？我认为这主要是由于我们常用的管道应力分析软件不具备该功能，且没有明确提醒该效应的影响，导致管道应力工程师在最初就不知道软件的算法并没有考虑PΔ效应。这在一些情况下将产生较大差异的应力、位移和受力结果，让管道结构存在隐患。

对于本文提到的算例，如果考虑PΔ效应，我们看到固定点将受到1268N的轴向力。

CSiPlant管道应力分析软件由于其采用SAP2000同样的求解器，其几何非线性分析不仅能考虑PΔ效应，也能考虑大位移效应，能够更真实地计算管道的实际状态。

CSiPlant具有通用有限元软件的屈曲分析功能和基于规范的局部屈曲校核，能够对埋地管道进行整体应力校核、整体屈曲校核和局部屈曲校核。一次计算即可完成上述全部校核。

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