基于有限元法的成品PCCP外壓試驗機分析研究

王建青，蔣樹文，錢宇鋒

（1.杭州國電機械設計研究院有限公司，杭州 310030；2.杭州和迪機電工程有限公司，杭州 310030）

0 引言

預應力鋼筒混凝土管(簡稱PCCP)，適合于制作大口徑壓力管滿足城市引水工程、供水系統、大型排污管道工程以及大型火電廠和核電廠的循環水管道的要求，特別適用于高水壓、大口徑、長距離輸水管道的工程應用[1]。水壓試驗是檢驗成品PCCP質量的最重要環節[2]，以檢驗管道在規定內水壓力作用下和一定覆土深度處的安全性、可靠性[3]，分為內壓試驗和外壓試驗。新設計的PCCP是否能抵抗得住地下一定深度處的覆土載荷而不出現裂紋、漏水等缺陷，必不可少的一個環節是進行型式試驗[4]，而成品PCCP外壓試驗機正是用來做PCCP型式試驗設備之一，以用來驗證PCCP產品能否滿足技術規范，檢驗其能否避免在特定的覆土深度、輸送壓力下而產生爆裂等失效現象的專用設備，其在PCCP制作工藝過程的用途，如圖1所示。

圖1 成品外壓試驗機功能示意

成品PCCP外壓試驗機多數原理是采用機械壓力的傳遞法，試驗管體的裂縫荷載和破壞荷載。新規格或特殊定制的PCCP進行型式試驗時，通常采用集中一點、兩點或多點施加外載荷，并將此外載荷從小到大分成若干加載段，逐階段同步加載和保壓，同時觀察所試驗的PCCP管體上有無裂縫及寬度或剝落現象。在輸水工程中所給定覆土深度參數，計算出抗裂所要求的外載荷試驗下，PCCP預應力區水泥砂漿保護層不出現長度大于300 mm，寬度大于0.25 mm裂縫或其他剝落現象，則此規格或定制的PCCP即為合格[5]，可以定型量產。

目前，國內很多PCCP廠家外壓試驗機預加外載荷多數采用千斤頂，將其置于大梁和次梁中間施加集中載荷，千斤頂通過機械方式將壓力加壓到PCCP上端部分，來模擬覆土、其他地面載荷對PCCP進行型式試驗，此方式雖簡單、成本較低，但最大試載荷偏低，操作不方便，自動化水平較低，試驗數據記錄無自動存儲，容易導致試驗記錄不完整。

此外，PCCP埋置深度越來越深，輸送水壓越來越高，隨之PCCP抗裂試驗外載荷值的要求越來越高，故設計一種適用全規格系列、大載荷的新型PCCP外壓試驗機成為迫切要求，其結構強度、整體穩定性滿足高載荷工況下試驗要求，并且操作簡便、穩定可靠，自動記錄、存儲試驗數據，能打印試驗時程曲線。

1 設備

本文簡述了一種采用6只油缸同步均勻加壓，總共能提供3 500 kN的新型PCCP外壓試驗機，介紹其主要技術參數、組成、控制原理及試驗方法，并驗證其設計結構強度和穩定性。

1.1 主要技術參數

此設備是用于試驗預應力鋼筒混凝土管（PCCP）抵抗外壓能力的專用試驗機，能適用GB∕T19685-2017《預應力鋼筒混凝土管》標準的PCCP，能自動或手動施加試驗外載荷，并自動繪制、存儲載荷時程曲線。該設備主要適用技術參數如表1所示。

表1 主要適用技術參數

1.2 設備組成及控制原理

如圖2所示，成品PCCP外壓試驗機主要由金屬鋼結構、液壓系統及微機控制系統組成。金屬鋼結構由底梁、立柱、方銷、大梁、次梁、平臺及斜梯等組成，底梁是把試驗管固定在試驗機的中心位置，立柱與方銷是承受油缸加載時由大梁傳來的拉力，大梁是固定油缸及承受油缸產生的推力，次梁是把試驗機的集中載荷轉換為線載荷后加載到試驗管上，立柱、底梁與基礎相連，液壓系統則是由液壓站、管路、液壓缸等部件組成，微機控制系統施加試驗外載荷的自動化控制系統，其控制原理如圖3所示。

圖2 成品PCCP外壓試驗機外形

圖3 微機控制系統原理

微機控制系統是根據試驗外載荷、液壓系統油壓、壓力傳感器檢測到的電壓一一對應的線性關系，即F正比于液壓系統壓力p和壓力傳感器檢測到的模擬量電壓U，其關系表示為：

式中：F為試驗外荷載，kN；p為液壓系統壓力，MPa；A為油缸面積，mm2；U為壓力傳感器所檢測到的電壓值，V。

外壓試驗機工作時，液壓系統中的壓力傳感器所檢測的油壓電信號，通過A∕D轉換器被送入微機，微機根據電壓U×模擬系數×活塞面積A實時換算成外壓載荷F，并與此時試驗段壓力值比較，若未到設定壓力，微機發出控制指令經D∕A轉換后，控制液壓比列閥，驅動電磁閥芯，使液壓系統按既定要求壓力加載和保壓。

1.3 操作流程

如圖4所示，首先啟動設備，按10%F進行預加載，保壓3 min，接著卸載至零，檢查設備是否正常并調整顯示儀器至零，然后連續勻速加載至80%F，保壓1 min，接著加載至90%F，保壓1 min，接著加載至100%F，保壓3 min，若出現試驗標志，試驗結束。若加載至100%F時未出現試驗標志，而試驗目的對此有要求時，應繼續按5%F分級加載，每級保壓3 min，直到出現試驗標志，試驗結束。若加載至100%F時未出現試驗標志，而試驗目的對此無要求時，則繼續按5%F分級加載，每級保壓3 min，加載至110%F并保壓3 min后，試驗結束[6-7]。設備也可按用戶需求的加壓分段和保壓時間參數進行試驗。試驗時，每次加載，均需觀察和記錄有無裂紋，測量其寬度。

圖4 操作流程

2 分析研究

2.1 設計、建模及網格劃分

設備結構設計時，主受力鋼結構立柱是采用背對背雙槽鋼2[36C，外側布置t=8 mm連接板，槽鋼腹板針對每一種PCCP管規格開相適應的插銷用方孔，孔周邊貼板補強，立柱下端與基礎相連，布置3個方向的斜撐，斜撐下端與基礎相連；大梁以○(650∕950)×450，兩側t25上下t42魚腹形焊接箱型鋼；方銷采用○138×186，兩邊t32上下t35焊接矩形鋼；次梁采用○480×380，兩側t12上下t16焊接矩形鋼，油缸連接處貼板，內側布置三道筋板進行加強；底梁選用20號槽鋼并布置加強筋板，并與兩側立柱焊接相連，下端置于基礎之上。

設備結構建模時，利用軟件Hypermesh19.0的建模工具，根據設計時的尺寸和連接要求建立模型。此模型金屬結構主受力結構材料采用Pshell殼單元，Q345D，材料卡片MAT1，彈性模量E=210 000 MPa，剪切模量G=81 000 MPa，泊松比Nu=0.3，密度RH0=7 850 kg∕m3；PCCP采用實體單元Psolid建模，材料卡片MAT1，彈性模量E=35 500 MPa，剪切模量G=9 750 MPa，泊松比Nu=0.2，密度RH0=2 500 kg∕m3[8]，并以DN4000標準管為例建模計算；橡膠采用實體單元Psolid建模，材料卡片MAT1，彈性模量E=2 000 MPa，剪切模量G=600 MPa，泊松比Nu=0.49，密度RH0=1 000 kg∕m3；建模后如圖5所示。

圖5 外壓試驗機模型

設備結構建模后，以25×25單元大小對各個部件分別劃分網格，共劃分313 348個網格單元，其中殼單元176 538個單元，實體單元136 810，網格圖如圖6所示。

圖6 外壓試驗機網格

大梁與方銷、方銷與立柱、油缸外缸上端尾部與大梁、油缸內桿下端與次梁均設置殼殼接觸，PCCP管與上下橡膠以實體實體接觸，上下橡膠與次梁、底梁設置實體殼的接觸。

2.2 靜力學分析及結果

以底梁、立柱與所有與地面接觸的節點為設置約束點，約束此處節點X、Y、Z平動；以6只油缸共3 500 kN施加外壓載荷。油缸作為外壓載荷源，通過油缸兩端沿Z軸分別上下傳力，上端通過大梁、立柱傳遞給基礎，而下端通過次梁、上側橡膠墊板、PCCP、下側橡膠墊板、底梁傳遞給基礎。分析結果如圖7所示，試驗機整體及主要部件強度分析結果表現為：整體表現為最大變形發生在次梁及PCCP的上部交接位置，為17.8 mm，最大局部應力261 MPa，位于底梁的筋板處；主要部件中，立柱局部最大應力225 MPa，位于斜撐與槽鋼連接處；大梁中部應力136 MPa左右，局部最大應力245 MPa，位于方銷與立柱的接觸處外側；試驗用的DN4000 PCCP最大應力32.5 MPa，位于PCCP承插口的上側；方銷局部最大應力分別為257 MPa，位于其與大梁接觸處。

圖7 靜力學分析結果

從上述分析結果表明此PCCP外壓試驗機的結構強度滿足3 500 kN工況下試驗要求。

2.3 線性屈曲及其結果

結構屈曲是指結構喪失穩定性，也稱歐拉屈曲，是以小位移小應變線彈性理論為基礎[9]，分析中不考慮結構在受載變形過程中結構構形的變化，在外力施加的各個階段，總是在結構初始構形上建立平衡方程，當載荷達到某一臨界值時，結構構形將突然跳到另一個隨遇的平衡狀態，求解方程，用公式[10-12]可表示為：

式中：[K]為結構的彈性剛度矩陣；[KG]為結構的幾何剛度矩陣；λi為特征值(臨界荷載系數)；i為模態階數值，i=1，2，3，…。

求解后可得特征值λi，即臨界荷載系數。臨界荷載系數乘以初始荷載的即為臨界荷載值，此值表示結構作用臨界荷載時結構會發生屈曲(失穩)，而λi所對應的為i階模態振型。

分析時以2.2節的工況為屈曲分析的靜力工況，建立一個Load Collectors，選擇EIGRL卡片，求解0~1 000 Hz范圍內第一階階振型及特征值。如圖8所示，線性屈曲分析結果表現為此外壓試驗機屈曲，第一階特征值（臨界載荷系數）為13.8，振型上表現為在XY和ZY平面同時發生扭轉。從上述線性屈曲分析結果表明此外壓試驗機的整體穩定性滿足3 500 kN外載荷工況下試驗要求。

圖8 線性屈曲分析結果

3 結束語

隨著PCCP向深覆土高工壓的發展，根據用戶PCCP定型試驗的參數要求，通過計算確定金屬結構尺寸，選擇合適的材料，設計出一種新型PCCP外壓試驗機，為驗證設計計算可靠性，運用Hypermesh 19.0有限元軟件為前處理軟件，進行建模和劃分網格，以OptiStruct2019求解器作為后處理軟件，分析此外壓試驗機結構的強度和穩定性問題，分析結果表明在最大3 500 kN外載荷工況下，此機結構強度、擾度及穩定性滿足PCCP檢驗的要求。

當然，隨著PCCP產品的高覆土及高工壓的發展，抗裂外載荷越高，肯定會超過3 500 kN，這就需要設計者不斷推陳出新，而本文中成品外壓試驗機設計所確定的結構尺寸，所采用外壓試驗機的控制方法，所采用的驗證分析方法希望能為類似外壓試驗機的設計、控制及分析驗證提供參考和借鑒。