工業(yè)建筑施工中鋼管徑壓穩(wěn)定性對(duì)比試驗(yàn)研究

張吉兆 (安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

工業(yè)建筑施工中鋼管徑壓穩(wěn)定性對(duì)比試驗(yàn)研究

張吉兆 (安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

冷凍水輸送井和瓦斯抽排井是煤炭開采中已建礦區(qū)正在建設(shè)的2種新型工業(yè)建筑。施工中大直徑鋼管通常作為固井井壁，常發(fā)生鋼管在徑向壓力下出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，被壓扁。加大管壁厚度是提高穩(wěn)定性臨界力的有效途徑，但大幅提高造價(jià)。鋼管上設(shè)置加勁環(huán)是一種既提高臨界力又經(jīng)濟(jì)有效的途徑。通過模型試驗(yàn)對(duì)比設(shè)置加勁環(huán)前后鋼管臨界力的變化，證實(shí)其有效性和局限性，并得出穩(wěn)定性臨界力主要與半徑與長(zhǎng)度、壁厚與半徑2個(gè)比值相關(guān)，半徑與長(zhǎng)度比值越大穩(wěn)定臨界力越小，壁厚與半徑比值越大穩(wěn)定性臨界力越大，當(dāng)鋼管長(zhǎng)度趨于十倍鋼管半徑時(shí)，加勁環(huán)對(duì)鋼管臨界力影響趨于消失。

工業(yè)建筑；大直徑鋼管；穩(wěn)定性臨界力; 試驗(yàn)研究

煤炭開采中，采掘深度越來越大，工作面深達(dá)千米以上。已經(jīng)建成的礦區(qū)由于投產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)，沒有考慮可能出現(xiàn)的地溫?zé)岷屯咚官Y源的二次高效利用，現(xiàn)在必須建設(shè)一些新型的工業(yè)建筑，如為減輕高溫?zé)岷Χ霈F(xiàn)的冷凍水輸送井[1]和為瓦斯高效利用而出現(xiàn)的瓦斯抽排井[2]。其共同特點(diǎn)是直徑和深度大。經(jīng)常發(fā)生施工荷載下的井壁失穩(wěn)破壞，因此徑向外壓下的鋼管穩(wěn)定性已成為決定工程成敗的關(guān)鍵技術(shù)。

冷凍水輸送井和瓦斯抽排井的施工方法是地面鉆井利用吊機(jī)下放大直徑鋼管，利用泥漿護(hù)壁[3]。由于吊機(jī)承載能力有限，采用提吊加浮力塞下沉法，此法需要鋼管中空借助泥漿浮力下沉，在施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)鋼管在徑向泥漿壓力下發(fā)生失穩(wěn)破壞，導(dǎo)致鋼管被壓扁。鋼管是否破壞主要由鋼管在徑向外壓下的穩(wěn)定性決定。通過模型試驗(yàn)，筆者對(duì)提高徑向外壓下鋼管穩(wěn)定性途徑進(jìn)行討論，便于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和施工。

1 試驗(yàn)研究

大深度的鋼管是分節(jié)焊接下放，現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法中一般將鋼管看做無限長(zhǎng)圓柱殼，從而抽象為平面問題[4]，穩(wěn)定性臨界力由壁厚和管徑的比值決定，加大壁厚是提高穩(wěn)定性臨界力的最有效途徑，但這一途徑從造價(jià)角度考慮不經(jīng)濟(jì)。在焊接部位設(shè)置加勁環(huán)既可以提高穩(wěn)定性臨界力又不大幅增加工程造價(jià)。

1.1加載設(shè)備

試驗(yàn)中利用井壁外壓加載裝置。鋼管徑向承受外部液壓壓力，模擬鋼管在施工中所承受的泥漿徑向壓力。試驗(yàn)鋼管置于加載裝置中，上部為可調(diào)式蓋板，底板密閉，底板、蓋板與試件加勁環(huán)之間加設(shè)橡膠密閉圓環(huán)，加載動(dòng)力來源于液壓油泵。如圖1所示。

1.2試驗(yàn)過程

取屈服強(qiáng)度為235MPa鋼管，彈性模量為2.0×1011N/m2，泊松比取0.3。一組鋼管在兩端部焊接加勁環(huán)，如圖2所示。另一組同樣尺寸端部不焊接加勁環(huán)。試件的長(zhǎng)度為L(zhǎng)=570mm，鋼管壁厚為T=3mm。

冷凍水輸送井和瓦斯抽排井中加勁環(huán)的設(shè)置往往向內(nèi)凸向圓心，鋼管外表保持光滑，以方便實(shí)際施工，但試驗(yàn)中為方便試件制作和加載，加勁環(huán)向外凸出30mm，材料為10mm厚鋼板，設(shè)置同等尺寸的外凸支撐，試驗(yàn)中半徑R分別為300、200、100、50mm。試驗(yàn)過程中沒有設(shè)置加勁環(huán)的鋼管在水平方向可以移動(dòng)。破壞后試件如圖3所示。

圖1 加載設(shè)備圖 圖2 試驗(yàn)試件 圖3 破壞后試件

表1 試件的穩(wěn)定性臨界力

1.3試驗(yàn)結(jié)果

兩端不設(shè)置加勁環(huán)的鋼管看做無限長(zhǎng)圓柱殼，簡(jiǎn)化為平面圓環(huán)穩(wěn)定問題。而設(shè)置加勁環(huán)的鋼管由于加勁環(huán)的作用，認(rèn)為端部為固結(jié)，是空間問題[5]。

通過徑向外壓試驗(yàn)可以獲得穩(wěn)定性破壞臨界力，如表1所示。從表1可以發(fā)現(xiàn)，在壁厚一定的條件下，鋼管不管是否設(shè)置加勁環(huán)，鋼管半徑越大，相應(yīng)穩(wěn)定性臨界力越小。

表2 臨界力與R/L、T/R的關(guān)系

注:T為鋼管壁厚;L為鋼管長(zhǎng)度。

穩(wěn)定性臨界力與R/L、T/R的關(guān)系如表2所示。從表2可以發(fā)現(xiàn),R/L比值越大，穩(wěn)定臨界力越小，設(shè)置加勁環(huán)與未設(shè)置加勁環(huán)鋼管穩(wěn)定性臨界力的比值越大；T/R比值越大，穩(wěn)定性臨界力越大，設(shè)置加勁環(huán)與未設(shè)置加勁環(huán)鋼管穩(wěn)定性臨界力的比值越小，并且最終趨于一致。以上關(guān)系并不是正反比例的線性關(guān)系。從R/L比值和2種臨界力比值之間的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，R/L=0.097時(shí)，兩者之間大小比值為1.03倍，也就是說當(dāng)R/L趨近于1/10左右時(shí)，兩者的倍數(shù)趨近于1.0，此時(shí)設(shè)置加勁環(huán)鋼管相對(duì)于未設(shè)置的穩(wěn)定性臨界力提高不多。若鋼管長(zhǎng)度大，R/L趨近于零，對(duì)于沒有設(shè)置加勁環(huán)的鋼管，徑壓下的臨界力只和T/R有關(guān)，該值越大，穩(wěn)定性臨界力越大。

2 結(jié) 論

通過鋼管在徑向外壓作用下的穩(wěn)定性破壞系列試驗(yàn)可以得到如下結(jié)論：

1)設(shè)置加勁環(huán)的鋼管在徑向外壓作用下的穩(wěn)定性臨界力主要與R/L、T/R2個(gè)比值相關(guān)，R/L比值越大穩(wěn)定臨界力越小，T/R比值越大穩(wěn)定性臨界力越大。

2)R/L比值越大，設(shè)置加勁環(huán)與未設(shè)置加勁環(huán)鋼管穩(wěn)定性臨界力的比值越大；T/R比值越大，設(shè)置加勁環(huán)與未設(shè)置加勁環(huán)鋼管穩(wěn)定性臨界力的比值越小。

3)設(shè)置加勁環(huán)對(duì)提高鋼管在徑向外壓下鋼管穩(wěn)定性臨界力提高幫助很大,但不是無限度的，當(dāng)鋼管長(zhǎng)度趨于10倍鋼管半徑時(shí)，加勁環(huán)對(duì)鋼管臨界力影響趨于消失。

依據(jù)以上結(jié)論，合理設(shè)置加勁環(huán)可以提高2種工業(yè)建筑施工中大直徑鋼管徑向泥漿作用下的穩(wěn)定性臨界力，從而為工業(yè)建筑設(shè)計(jì)施工提供參考。

[1]張吉兆. 大直徑冷凍水輸送井設(shè)計(jì)中關(guān)鍵問題研究[J].煤炭技術(shù)，2009，29(2)：119-123.

[2] 袁志堅(jiān). 提吊加浮力塞下管法在大口徑瓦斯抽排孔的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(1)：27-29.

[3] 金涌. 煤礦大口徑瓦斯抽排孔施工技術(shù)[J]. 中國(guó)煤炭地質(zhì)，2009，21(11)：68-69.

[4] 陳紹蕃. 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)指南[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2004.

[5] 陳驥. 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論與設(shè)計(jì)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2001.

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.09.041

TD26

A

1673-1409(2012)09-N118-02

2012-06-15

安徽省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳科學(xué)研究項(xiàng)目(2011YF-39)。

張吉兆(1977-)，男，2001年大學(xué)畢業(yè)，碩士，講師，現(xiàn)主要從事結(jié)構(gòu)工程方面的教學(xué)與研究工作。

[編輯] 洪云飛