Q355鋼管在超長距離排海管中的應(yīng)用

曹志杰

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司,上海 200092)

鋼頂管的發(fā)展具有悠久的歷史,現(xiàn)代社會最早關(guān)于頂管技術(shù)記載的工程是在1896年—1900年間為美國北太平洋鐵路公司敷設(shè)的穿越鐵路的鑄鐵管。從20世紀(jì)50年代起,英國、法國、日本、德國等國家相繼采用了鋼管頂管施工技術(shù),日本在60年代以后大力發(fā)展了現(xiàn)代化的頂管技術(shù),如長距離頂進(jìn)時采用中繼間等。我國頂管施工法的起步略晚于西方發(fā)達(dá)國家,初期發(fā)展緩慢,近30年間發(fā)展速度很快。我國最早在1953年,北京運用手掘式頂管技術(shù)(內(nèi)徑1.2 m)穿越了京包鐵路,開創(chuàng)了國內(nèi)應(yīng)用頂管技術(shù)的歷史[1]。近10多年來,我國完成了多項大口徑長距離鋼頂管工程,詳見表1。

表1 近年來長距離鋼頂管工程主要案例

從上述案例可以看出,大部分長距離鋼頂管采用了Q235B鋼材,近年來才有個別工程開始采用了Q355B鋼材。

1 Q235和Q355鋼管材料比較

Q235B鋼材屬于碳素結(jié)構(gòu)鋼,鋼號冠以“Q”,代表鋼材的屈服點,B表示質(zhì)量等級。Q355B鋼材屬于低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼,新修訂后的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1591—2018低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼已于2019年2月實施,用Q355B鋼材取代了Q345B鋼材,由此,我國鋼結(jié)構(gòu)全面進(jìn)入高強鋼焊接時代,這也是我國鋼材與國際接軌的重大舉措[2],Q235B和Q355鋼材成分和性能比較見表2。

表2 Q235B和Q355B鋼材成分和性能比較表[3-4]

從表2可以看出,這兩種鋼材化學(xué)成分和物理力學(xué)性質(zhì)明顯不同,主要體現(xiàn)在:

1)屈服強度有明顯不同:Q235的屈服強度下限為235 MPa。Q355的屈服強度下限為345 MPa。Q355比Q235鋼材強度高。但是,隨著材質(zhì)厚度的增加,它們的屈服值都會減小。

2)兩者化學(xué)成分不同:Q355鋼中含有少量合金元素。由于合金元素的作用,低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼屈服強度比相同含碳量的碳素結(jié)構(gòu)鋼高25%～150%,用低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼代替碳素結(jié)構(gòu)鋼使用,可以減輕結(jié)構(gòu)自重,節(jié)約金屬材料并延長結(jié)構(gòu)使用壽命。

3)兩者焊接性能不同:Q235鋼板由于回火穩(wěn)定性差,碳鋼在進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理時,為了保證較高的強度需采用較低的回火溫度,這樣鋼的韌性就偏低;為了保證較好的韌性,采用高的回火溫度時強度又偏低,所以碳鋼的綜合機械性能水平不高。Q355鋼不用預(yù)熱也不需緩冷,但厚度大于30 mm時需預(yù)熱100°～150°左右,一般用J507就可以焊,如果韌性好些的話,也可以建議用J507RH。

4)兩者價格不同:價格上Q355稍貴點,價格相差3%～8%,所以,選用時可從以上幾點綜合考慮。如果設(shè)計的結(jié)構(gòu)是強度控制,可考慮采用Q355,因為Q355比Q235鋼材強度高,省材料,比235省15%～20%;如果是穩(wěn)定性控制,可考慮采用Q235。

2 鋼頂管結(jié)構(gòu)分析

2.1 工程概況

根據(jù)排海管線路設(shè)計,本工程鋼管口徑為DN2 200,頂進(jìn)距離為2 600 m,鋼管最大覆土為20 m,地下水位取-0.5 m,頂管基本位于第⑤1層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層,管頂覆土的內(nèi)摩擦角取為Φ=20.75°(管頂土的加權(quán)平均值),管頂覆土的黏聚力C=8 kN/m2(取管頂土的最小值),管周原狀土的變形模量Ed=3.5 N/mm2, 管道閉合溫差ΔT=20°,管道工作內(nèi)水壓力標(biāo)準(zhǔn)值Fwk=0.2 MPa,管道真空壓力標(biāo)準(zhǔn)值Fzk=0.02 MPa。地質(zhì)參數(shù)見表3。

表3 地質(zhì)參數(shù)表

2.2 計算公式

計算采用GB 50332—2002給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范選用理論,該理論認(rèn)為管體的受力條件類似于“溝埋式”敷管,管頂覆土的變形大于兩側(cè)土體的變形,管頂土體重量將通過剪力傳遞擴散給管兩側(cè)土體,據(jù)此給出折算強度的計算公式,詳見式(1):

(1)

其中,σθ為鋼管管壁橫截面最大環(huán)向應(yīng)力,N/mm2;σx為鋼管管壁縱向應(yīng)力,N/mm2;σ為鋼管管壁的最大折算應(yīng)力,N/mm2;η為應(yīng)力折減系數(shù),可取0.9;f為鋼管鋼材強度設(shè)計值,N/mm2。

2.3 計算結(jié)果分析

根據(jù)上述條件,曲率半徑按R1=3 125 m,取不同鋼管計算壁厚(t=18 mm,20 mm,22 mm,24 mm,26 mm,28 mm),計算得到最大折算應(yīng)力和變形百分率(見圖1,圖2)。

從圖1,圖2可以看出,覆土20 m條件下,鋼管的應(yīng)力和變形均比覆土10 m條件下計算結(jié)果大,總體上,隨著壁厚增加,最大折算應(yīng)力和變形減小,但是應(yīng)力減小的幅度不大,所以從經(jīng)濟上看,不推薦通過增大壁厚來減小鋼管應(yīng)力。從計算結(jié)果看,如果采用Q235鋼材(強度設(shè)計值為205 N/mm2),壁厚需要28 mm才能滿足強度要求,采用Q355(強度設(shè)計值為295 N/mm2)的話,壁厚18 mm～28 mm均滿足強度要求,考慮到超長距離頂管的頂力和糾偏不確定性,對Q235(壁厚28 mm)和Q355(壁厚24 mm)進(jìn)行比較(見表4)。

表4 鋼管內(nèi)力變形和穩(wěn)定計算表

從表4計算結(jié)果可以看出,如果采用Q235B,鋼管截面的折算應(yīng)力都偏大,不能滿足規(guī)范要求。采用Q355鋼材能有效提高截面強度安全系數(shù)和穩(wěn)定安全系數(shù),壁厚可以減薄,具有一定的經(jīng)濟性。

3 超長距離排海管反復(fù)頂力分析

頂管在千斤頂周而復(fù)始的頂力作用下持續(xù)前進(jìn),隨著頂管距離的增加,這種反復(fù)頂力作用的次數(shù)也相應(yīng)增加,那么這種反復(fù)荷載作用是否會引起鋼管結(jié)構(gòu)的疲勞作用呢。

規(guī)范對鋼頂管按照靜止荷載計算鋼管截面應(yīng)力,考慮鋼管環(huán)向應(yīng)力、縱向頂力、縱向彎曲以及閉合溫差的影響,未考慮頂力作用。實際上鋼頂管在頂進(jìn)施工時,處于頂進(jìn)油缸推力、管外側(cè)土摩擦力和工具頭頂面壓力的擠壓中;而在管道吊裝和焊接過程中,井內(nèi)油缸頂力釋放,鋼管處于土摩擦力和工具頭頂面壓力的共同作用。這兩種受力狀態(tài)每個千斤頂行程重復(fù)一次,所以鋼管實際處于反復(fù)荷載作用下,考慮頂管實際推進(jìn)速度比較緩慢,可以近似看做是靜力作用。

頂管頂進(jìn)工況見圖3,頂管吊裝焊接工況見圖4。

根據(jù)上圖考慮縱向受力平衡,對頂管頂進(jìn)工況由式(2)—式(4)計算:

F0=πD1Lifk+Nf

(2)

Fx=Nf+πD1xfk

(3)

(4)

對頂管吊裝焊接工況由式(5)—式(7)計算:

(5)

fx′=πD1(Li-x)fk′

(6)

(7)

其中,F0為頂管頂力,kN;fk為頂管管周側(cè)摩阻力,kN/m2;Nf為頂管工具管端面阻力,kN;Li為頂管當(dāng)前頂進(jìn)長度,m;x為計算點距離頂管工具管距離,m;Fx為頂進(jìn)工況計算點軸力,kN;Fx′為吊裝焊接工況計算點軸力,kN;σx為頂進(jìn)工況計算點應(yīng)力,N/mm2;σx′為吊裝焊接工況計算點應(yīng)力,N/mm2。

整個頂管長度為2 600 m,主頂千斤頂最大行程為1.5 m,反復(fù)荷載的次數(shù)跟管材所在位置(這里計作x)有關(guān),假定千斤頂平均行程為1.2 m,則反復(fù)荷載作用不超過2 600/1.2=2 167次。這里取x=100 m(Li=100 m,600 m,1 100 m,1 600 m,2 100 m,2 600 m,)和x=2 500 m(Li=2 500 m,2 510 m,2 520 m,2 530 m,2 540 m,2 550 m)兩個點討論,前者位于頂管開始階段,頂進(jìn)距離較短;后者位于頂管結(jié)束階段,已頂進(jìn)距離較長。通過計算可以得到結(jié)果如圖5,圖6所示。

從圖5和圖6中可以看出,位于頂管線路前端的鋼管(如x=100 m)應(yīng)力水平比較小,頂進(jìn)工況的應(yīng)力保持不變,接管工況的應(yīng)力隨著頂管進(jìn)程逐漸增加,但是增加的幅度很小。位于頂管線路尾端的鋼管(如x=2 500 m)應(yīng)力水平較高,頂進(jìn)工況的應(yīng)力保持不變,接管工況的應(yīng)力隨著頂管進(jìn)程逐漸增加,但是增加的幅度很小。

x=100 m處的應(yīng)力計算表格見表5,x=2 500 m處的應(yīng)力計算表格見表6。

表5 x=100 m處的應(yīng)力計算表格

表6 x=2 500 m處的應(yīng)力計算表格

根據(jù)表5,表6可以看出,處于頂管前端的管節(jié),頂力造成的應(yīng)力變化幅度較小,比如x=100 m處,σmax-σmin=17.60 N/mm2,頻次相對較多(2 083次);而位于頂管尾段的管節(jié),頂力造成的應(yīng)力變化幅度較大,比如x=2 500 m處,σmax-σmin=294.52 N/mm2,但頻次相對較多(83次)。根據(jù)GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)重復(fù)次數(shù)少于50 000次,可不進(jìn)行疲勞計算。為了更好地反映頂管應(yīng)力變化、計算點位置和作用 頻次的關(guān)系,取不同計算點位置x=50 m,300 m,550 m,800 m,1 050 m,1 300 m,1 550 m,1 800 m,2 050 m,2 300 m,2 550 m,計算其應(yīng)力變幅度和作用頻次,詳見圖7。

4 結(jié)語

本文結(jié)合2 600 m超長距離排海管頂管實例,分析了超長距離鋼頂管材料選擇和反復(fù)荷載下頂管內(nèi)力,得出主要結(jié)論如下:

1)過去一些超長距離頂管案例中,大部分長距離鋼頂管采用了Q235B鋼材,近年來才有個別工程開始采用Q355B鋼材。

2)在覆土較深的長距離排海管中,壁厚往往是管道結(jié)構(gòu)強度控制,這種情況下選用Q355更合理。

3)頂管管材處于反復(fù)荷載作用下,頂管線路前端的管節(jié)應(yīng)力變化水平比較低,頂管線路尾端的管節(jié)應(yīng)力變化水平較高,但是總體頻次不高,可考慮疲勞作用。