不均勻沉降作用下PCCP管承插口接頭力學(xué)性能分析

李中培 林建華 雷彩虹

不均勻沉降作用下PCCP管承插口接頭力學(xué)性能分析

李中培1林建華2雷彩虹1

（杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311402；2. 杭州之江經(jīng)營(yíng)管理集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310000）

土體不均勻沉降作用下，預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）承插口接頭是易發(fā)生破壞的位置。為指導(dǎo)實(shí)際工程的控制，建立PCCP管承插口接頭三維有限元模型，計(jì)算分析了不均勻沉降產(chǎn)生的彎矩作用下承插口接頭的力學(xué)性能。分析表明，PCCP管承插口接頭處剛度較小，在不均勻沉降作用下易產(chǎn)生較大變形，建議關(guān)注接口處防水構(gòu)造，防止出現(xiàn)由于轉(zhuǎn)角變形過(guò)大導(dǎo)致的漏水問(wèn)題。接頭處承口混凝土主拉應(yīng)力水平增加幅度大于插口處混凝土。結(jié)合接頭處轉(zhuǎn)角變形和強(qiáng)度，需控制不均勻沉降產(chǎn)生的彎矩限值，對(duì)于DN2200型PCCP管，建議限值為500kNm。

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管；承插口；不均勻沉降作用；力學(xué)性能

0 引言

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）是一種廣泛使用的復(fù)合管材，具有承壓能力高、抗?jié)B性強(qiáng)、工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)[1]。PCCP管施工中存在一些安全隱患，由于土體不均勻沉降導(dǎo)致的承插口接頭破壞尤為需要極力避免[2]。基于三維有限元模擬方法，研究某工程PCCP管處于土體不均勻沉降作用下的受力性能，提出不均勻沉降作用產(chǎn)生的彎矩限值，用于指導(dǎo)實(shí)際施工中的控制。

1 工程概況

1.1 基本信息

杭州市某工程三污干管采用PCCP管，型號(hào)DN2200，工程中工作壓力為0.15MPa，接口為雙橡膠圈，管節(jié)長(zhǎng)度5m。管道截面示意圖如圖1所示。DN2200干管基本尺寸信息[3]為：外壁厚155mm，保護(hù)層厚度32mm，外徑2574mm，管長(zhǎng)5m，參考重量3.54t/m。混凝土材料為C50，鋼環(huán)為Q235，橡膠彈性模量取7840000N/m2，泊松比取0.47。

圖1 PCCP管道構(gòu)造示意圖

1.2 接口形式

PCCP管的連接形式采用雙膠圈承插口接頭，由鋼插口、鋼承口和兩個(gè)橡膠圈等構(gòu)件組成，雙膠圈接頭鋼環(huán)截面詳細(xì)尺寸如圖2和表1所示。

該工程PCCP管施工中，接頭處遇到周圍土體不均勻沉降，使PCCP管接頭受到大于設(shè)計(jì)狀態(tài)的彎矩。為防止PCCP管接頭轉(zhuǎn)角變形和應(yīng)力過(guò)大，出現(xiàn)安全問(wèn)題，指導(dǎo)該工程施工中的控制，需要對(duì)不均勻沉降作用下PCCP管膠圈承插口接頭進(jìn)行力學(xué)性能分析。

圖2 PCCP管膠圈承插口接頭構(gòu)造詳圖

表1 雙膠圈接頭尺寸信息表（mm）

2 三維有限元模型

2.1 幾何信息

采用ABAQUS大型有限元軟件建立兩節(jié)PCCP管有限元模型[4~5]，其中內(nèi)外層混凝土，鋼承插口，橡膠圈均采用實(shí)體單元，鋼筒采用板殼單元。為保守考慮，忽略水泥砂漿保護(hù)層和預(yù)應(yīng)力鋼絲。實(shí)體部分主體采用六面體單元，過(guò)渡性部分采用四面體單元。有限元模型共計(jì)板殼單元1950個(gè)，實(shí)體單元51763個(gè)，如圖3所示。

圖3 PCCP管承插口接頭有限元模型

2.2 邊界條件

兩節(jié)管道的端部邊界采用簡(jiǎn)支形式。鋼筒，鋼插環(huán)和鋼承環(huán)與混凝土的連接采用埋入和固結(jié)方式。雙橡膠圈的側(cè)面和底面與鋼插口凹槽內(nèi)壁固結(jié)，頂面與鋼承口內(nèi)面硬接觸，設(shè)置橡膠圈的切向靜摩擦系數(shù)，取值0.5。采用升溫法賦予橡膠圈溫度，通過(guò)材料線膨脹系數(shù)使得橡膠圈膨脹，從而獲得與承口鋼環(huán)的初始切向靜摩擦力。設(shè)置加載點(diǎn)，加載點(diǎn)與接口處截面耦合連接，通過(guò)在加載點(diǎn)上施加外荷載，從而模擬管道承后由于周圍土體不均勻沉降導(dǎo)致的外力作用。

2.3 荷載形式

模型外荷載包括自重和管道周圍土體沉降導(dǎo)致的彎矩荷載。通過(guò)設(shè)置自重系數(shù)-1.0考慮自重荷載；通過(guò)在加載點(diǎn)上施加彎矩荷載考慮土體不均勻沉降對(duì)管道結(jié)構(gòu)的作用。

3 計(jì)算分析結(jié)果

3.1 承插口底部豎向轉(zhuǎn)角位移

取多組彎矩荷載值，提取接口處截面的繞管道橫軸的底部豎向轉(zhuǎn)角位移，得到彎矩-轉(zhuǎn)角位移曲線圖，結(jié)果如下圖4所示，豎向變形結(jié)果如圖5所示。可見(jiàn)隨著接口處加載彎矩的增加，承口和插口的豎向轉(zhuǎn)角位移差顯著增加，且承口豎向轉(zhuǎn)角位移大于插口。當(dāng)彎矩水平達(dá)到500kNm左右時(shí)，承插口豎向轉(zhuǎn)角位移差開始較大幅度增加，有脫離風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 接頭處底部豎向轉(zhuǎn)角位移與彎矩的關(guān)系曲線

圖5 管道豎向變形示意圖（m）（放大300倍）

3.2 承插口頂部混凝土主拉應(yīng)力

取多組彎矩荷載值，提取接口處截面的頂部混凝土主拉應(yīng)力，得到彎矩-應(yīng)力曲線圖，結(jié)果如下圖6所示，應(yīng)力云圖如圖7所示。由圖6可見(jiàn)，接口處截面彎矩低于500kNm時(shí)，插口混凝土頂部主拉應(yīng)力大于承口；接口處彎矩大于500kNm時(shí)，承口頂部混凝土應(yīng)力顯著增加，大于插口頂部混凝土。在500kNm的接口處截面彎矩荷載作用下，承插后頂部混凝土主拉應(yīng)力均為0.5MPa，應(yīng)力水平較低，且實(shí)際結(jié)構(gòu)中存在預(yù)應(yīng)力鋼絲和外部砂漿保護(hù)層，主拉應(yīng)力水平會(huì)進(jìn)一步降低，可見(jiàn)接口處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較大。

圖6 接頭處頂部混凝土主拉應(yīng)力與截面彎矩的關(guān)系曲線

圖7 管道混凝土主拉應(yīng)力云圖（MPa）

4 結(jié)論

通過(guò)建立PCCP管膠圈承插口接頭三維有限元模型，分析了接頭在土體不均勻沉降工況產(chǎn)生的彎矩作用下的力學(xué)性能，得到如下結(jié)論。

（1）在土體不均勻沉降作用下，承口和插口的相對(duì)轉(zhuǎn)角位移差隨著接頭處截面彎矩的增加顯著增加。DN2200型PCCP管接頭處彎矩水平達(dá)到500kNm時(shí)，易導(dǎo)致接口處出現(xiàn)脫空風(fēng)險(xiǎn)。建議關(guān)注接口處防水構(gòu)造，防止出現(xiàn)由于轉(zhuǎn)角變形過(guò)大導(dǎo)致的漏水問(wèn)題。接頭處承口混凝土主拉應(yīng)力水平增加幅度大于插口處混凝土。

（2）結(jié)合接頭處轉(zhuǎn)角變形和強(qiáng)度，需控制土體不均勻沉降產(chǎn)生的彎矩限值，對(duì)于DN2200型PCCP管，建議限值為500kNm。

[1]王冬.大管徑PCCP管道交叉穿越方案比選研究[J].水利技術(shù)監(jiān)督,2019(5):225-228.

[2]孫立強(qiáng),張京京,李恒,等.軟土地基上影響預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管相對(duì)轉(zhuǎn)角關(guān)鍵因素研究[J].巖土力學(xué),2015,36(增刊):293-298.

[3]GB/T19685-2017,預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2018.

[4]王成華,尹書輝.超載作用下PCCP管沉降性狀三維有限元參數(shù)分析[J].建筑科學(xué),2012,28（增刊）:29-32.

[5]翟科杰,方宏遠(yuǎn),張沖博,等.PCCP管承插口力學(xué)性能與失效模擬仿真分析[J].中國(guó)給水排水,2020,36(20):10-17.

依托項(xiàng)目為杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)課題：杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院2020年校立科研項(xiàng)目《自錨式斜拉-懸索協(xié)作體系橋體系轉(zhuǎn)換施工階段方案研究》（HKYKYYB-2019-1）。

第一作者：李中培（1991- ），男，安徽六安人，浙江大學(xué)畢業(yè)，碩士，杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院市政工程技術(shù)專業(yè)教師，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)分析；第二作者：林建華（1971- ），男，浙江杭州人，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)畢業(yè)，杭州之江經(jīng)營(yíng)管理集團(tuán)有限公司工程部，主要負(fù)責(zé)工程管理；第三作者：雷彩虹（1972- ），女，浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)，碩士，杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院副院長(zhǎng)，研究方向?yàn)槭姓艿拦こ碳夹g(shù)。

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1007-6344（2021）04-0084-02