承插式球墨鑄鐵管道柔性接口力學性能影響的試驗研究

2022-03-02 05:58:12蔡志雄

水利科學與寒區(qū)工程 2022年2期

蔡志雄

(福建省圍墾建設工程有限公司，福建漳州 363100)

為了緩解地震等外部荷載作用對地下管網(wǎng)結構的破壞性影響，近年來在地下管網(wǎng)建設中大量應用了承插式球墨鑄鐵柔性接口[1]。在這種接口結構中，橡膠密封圈不僅可以有效保證管道連接的密封性，還具有良好的伸縮性和角變位能力，可以有效吸收地震能，適應管道周圍巖土體的不均勻沉降[2]。雖然橡膠圈的造價相對較低，一旦失效就造成嚴重的滲漏，影響管線的整體功能發(fā)揮[3]。因此，針對球墨鑄鐵管道柔性接口在外部荷載下的力學性能研究就顯得尤為重要。基于此，此次研究以長泰縣城鄉(xiāng)供水一體化工程為例，利用模擬試驗的方法，探討管徑、初始水壓等因素對承插式球墨鑄鐵管道柔性接口力學性能的影響，以期為工程設計和建設提供必要的支持和借鑒。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置

此次試驗使用的裝置主要由四部分構成，分別為固定系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、測試系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[4]。其中，加載系統(tǒng)主要由恒壓水泵和伺服作動器構成；固定裝置主要包括反力架、反力墻、可升降鋼板以及滾動升降支撐等；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集箱以及與之相連接的PC機。其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括安裝在管道插口部位的受力傳感器、位移計和水壓表。為了保證試驗結果的準確性和合理性，在試驗裝置設計上應該著重滿足如下原則：選擇合理的固定裝置，保證試驗裝置本身的穩(wěn)固性，為了達到試驗需要的加載條件，采用伺服電液作動器；為了保證試驗裝置的對中調(diào)平，在裝置中設置帶有不同的轉(zhuǎn)接螺孔的可升降板與相應的滾動升降支撐。整個裝置采用結構試驗室內(nèi)的反力墻和反力架作為固定裝置。

1.2 試件的制作

實驗室試驗不可避免其局限性，特別是空間方面的限制，將我國城市供水系統(tǒng)中常用的6 m標準長度T型接口球磨鑄鐵管道按照1∶4的比例進行縮小加工，同時焊接好試驗所需要的法拉盤，同時制作與其相匹配的盲板。所有的試件均需要符合標準《水及燃氣用球墨鑄鐵管、管件和附件》(GB/T 13295—2019)，且同一組試驗的膠圈要為同一批次，以保證試驗結果的科學性和準確性[5]。

1.3 安裝與調(diào)整

在反力墻上選擇合適高度安裝好轉(zhuǎn)接盤，然后在轉(zhuǎn)接盤上測量試驗加載所需要的折返式伺服電液，并使用水平尺和激光校準儀進行校準[6]。根據(jù)試驗裝置的具體長度，在合適的位置組裝反力架，并將其底部在底面溝槽中固定，在試驗管件的下方設置能夠滾動升降的支撐，在承口的末端和反力架之間加裝可升降鋼板，經(jīng)過調(diào)解使鋼板中心、管件中心、傳感器中心以及作動器中心四點在一條直線上，確保關鍵的軸向受力不存在偏心現(xiàn)象，以保證試驗結果的準確性。

管道柔性結構的安裝工藝，會對試驗結果造成比較顯著的影響，因此在安裝之前首先做好清理工作，然后標記好插口的安裝刻度。在橡膠圈安裝中使用肥皂水作為潤滑劑，防止安裝過程中出現(xiàn)磨損、扭曲。

根據(jù)試驗方案的設計和要求，試驗裝置中包括4個位移傳感器和一個S型力的傳感器。在裝置安裝過程中，在管道接口水平側(cè)安裝兩個傳感器，以監(jiān)測接口位移特征，在管道的承口末端也安裝兩個位移傳感器，以作為參考[7]。將S型力的傳感器安裝于作動器和插管前段的法蘭盤上，并對其裸露部分進行加厚處理。

1.4 試驗方案

由于此次試驗主要研究管徑等因素的影響，結合背景工程的實際情況，設置了DN150、DN200和DN300三種不同的管徑。試驗中的加載方式選擇為單級加載的模式，加載速率分別為0.5 mm/s、1.0 mm/s和2.5 mm/s。試驗中考慮不同水壓的影響，設計了無水、初始水壓0.2 MPa和初始水壓0.5 MPa三種不同的運用工況。通過上述參數(shù)的不同組合的試驗數(shù)據(jù)整理和分析，獲取管徑大小對承插式球墨鑄鐵管道柔性接口力學性能影響。

2 試驗結果與分析

2.1 無水工況

對管道內(nèi)無水工況下的不同管徑的管道試件在不同加載速率下進行試驗，在試驗結果中提取出管道接口部位的軸向峰值拉力，結果如表1所示。由表中的計算結果可知，在管徑相同的條件下，管道接口部位的軸向峰值拉力隨著加載速率的增加而增大，以DN150管徑為例，當加載速率為0.5 mm/s時，其軸向峰值拉力值10.85 kN，當加載速率為1.0 mm/s時，其軸向峰值拉力值13.29 kN，與加載速率為0.5 mm/s時增加了約22.49%；當加載速率為2.0 mm/s時，其軸向峰值拉力值16.21 kN，與加載速率為0.5 mm/s時增加了約49.40%。從試驗結果來看，管徑對軸向峰值拉力也存在十分明顯的影響。在加載速率相同的情況下，管徑越大管道接口部位的軸向峰值拉力也就越大。以2.5 mm/s加載速率的試驗結果為例，DN150的軸向峰值拉力為16.21 kN，DN200的軸向峰值拉力為24.36 kN，與DN150相比增加了約50.28%，DN300的軸向峰值拉力為32.19 kN，與DN150相比增加了約98.58%。究其原因，主要是管徑越大密封膠圈的周長就越長，接觸面積也越大，因此軸向峰值拉力也顯著增大。

表1 無水工況下軸向峰值拉力試驗結果

2.2 初始水壓0.2 MPa

為了了解管道有壓運行工況下管徑對管道接口部位力學性能的影響，試驗中保持管內(nèi)水壓為0.2 MPa不變，對不同加載速率、不同管徑的組合工況進行試驗，獲得的軸向峰值拉力試驗數(shù)據(jù)，結果如表2所示。由表中的結果可以看出，在初始水壓0.2 MPa的條件下，管道接口部位的軸向峰值拉力隨著管徑和加載速率的增加而增加，這一變化規(guī)律與無水工況基本類似。但是，管道接口部位的軸向峰值拉力值的具體變化特征也存在一些差異。首先，在初始水壓0.2 MPa的條件下，相同管徑、相同加載速率的軸向峰值拉力與無水工況明顯偏小。從不同管徑和加載速率的影響來看，雖然軸向峰值拉力隨著管徑和加載速率的增加而增加，但是增加的幅度明顯減小。仍以2.5 mm/s 加載速率為例，DN200和DN300的軸向峰值拉力分別為14.56 kN和17.67 kN，與DN150的軸向峰值拉力相比，分別增加了約28.51%和55.96%，與無水工況下的50.28%和98.58%的增幅相比明顯偏小。由此可見，管徑大小雖然對管道接口軸向峰值拉力存在十分顯著的影響，但是這種影響在有水運行工況下會有所減弱。

表2 初始水壓0.2 MPa軸向峰值拉力試驗結果

2.3 初始水壓0.5 MPa

為了進一步了解管道有壓運行工況下管徑對管道接口部位力學性能的影響，試驗中保持管內(nèi)水壓為0.5 MPa不變，對不同加載速率、不同管徑的組合工況進行試驗，獲得的軸向峰值拉力試驗數(shù)據(jù)，結果如表3所示。由表中的結果可以看出，在初始水壓0.5 MPa的條件下，管道接口部位的軸向峰值拉力隨著管徑和加載速率的增加而增加，這一變化規(guī)律與無水工況和管內(nèi)水壓0.2 MPa 工況基本一致。另一方面，在初始水壓0.5 MPa 的條件下，相同管徑、相同加載速率的軸向峰值拉力較初始水壓0.2 MPa工況又有進一步的減小。從不同管徑和加載速率的影響來看，雖然軸向峰值拉力隨著管徑和加載速率的增加而增加，但是增加的幅度也有進一步的減小。從2.5 mm/s 加載速率為例，DN200和DN300的軸向峰值拉力分別為10.43 kN和12.34 kN，與DN150的軸向峰值拉力相比，分別增加了約18.79%和40.54%，其增加幅度與無水工況和初始水壓0.2 MPa工況相比有明顯的減小。這一試驗結果也進一步驗證了上節(jié)獲得的結論，管徑大小雖然對管道接口軸向峰值拉力存在十分顯著的影響，但是這種影響會隨著管內(nèi)初始水壓的增大而趨于減弱。