埋地高密度聚乙烯雙壁波紋管環剛度選用分析

【摘 " "要】：環剛度的選取是埋地高密度聚乙烯雙壁波紋管結構設計的主要環節，采用規范方法與有限元方法，分析了不同管徑、覆土厚度與基礎中心角下，管道豎向變形及應力，得到管道所需最小環剛度。結果表明：與有限元方法相比，規范方法計算所得管道應力與豎向變形偏大10%～50%；隨著管道覆土厚度的增加，兩種方法計算結果的差值逐漸增大；管道覆土厚度較小時所需環剛度由環截面強度控制，管道覆土厚度較大時所需環剛度由環截面變形控制，DN300～800 mm管道環剛度控制條件變化的臨界覆土厚度為3.5～4.8 m。根據計算結果給出了不同條件下埋地高密度聚乙烯雙壁波紋管環剛度選用值。

【關鍵詞】：高密度聚乙烯雙壁波紋管道；環剛度；結構設計；環截面變形

【中圖分類號】：TU992.23 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2024）05-36-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.05.010

Analysis of Ring Stiffness Selection for Buried Double-Wall Corrugated

HDPE Pipe

LUO Fangbing

（Tianjin Municipal Engineering Design amp; Research Institute Co.Ltd.，Tianjin 300392，China）

【Abstract】： The selection of ring stiffness is a key step in the design of buried double-wall corrugated HDPE pipe. In this paper， both normative methods and finite element methods were used to analyze the vertical deformation and stress of pipes under different pipe diameters， burial depths， and foundation central angles， and to obtain the minimum ring stiffness required for the pipes. The results show that compared with the finite element method， the normative method calculates stress and vertical deformation of pipes that are10% to 50% larger， and the difference between the two methods gradually increases with the increase of burial depth. When the burial depth of the pipe is shallow， the required ring stiffness is controlled by the ring section strength， and when the burial depth is deep， the required ring stiffness is controlled by the ring section deformation. The critical burial depth for the change of ring stiffness control conditions for DN300～800 mm pipes is between3.5～4.8 m. Based on the calculation results， the selected values of the ring stiffness of buried double-wall corrugated HDPE pipe under different conditions are given.

【Key words】： double-wall corrugated HDPE pipe；ring stiffness；structure design；ring section deformation

高密度聚乙烯（HDPE）雙壁波紋管作為一種化學管材，具有強度高、質量輕、施工簡便、使用壽命長等優點[1]，已被廣泛應用在我國市政給排水工程建設項目中。CECE164：2004《埋地聚乙烯排水管管道工程技術規程》給出了HDPE雙壁波紋管結構計算方法，以環剛度作為控制管道剛度的指標。但在實際工程中，由于埋地管道受力復雜，如何根據實際情況確定管道環剛度使其兼顧安全性與經濟性，仍是一大難點。本文采用CECE164：2004規范計算方法，詳細分析了不同覆土厚度下管道的受力情況和所需的環剛度，為工程中管道環剛度的選取提供參考。

1 規范計算方法

1.1 地面荷載計算

根據CECE164：2004與CJJ 11—2011《城市橋梁設計規范》（2019年版），可計算出城-A與城-B級車輛荷載傳遞至管道頂部的豎向壓力。選取單個輪壓、兩個單排輪壓及雙排四輪壓作為計算工況，取大值作為車輛荷載。取車輛荷載與堆積荷載較大值作為作用于管道的地面荷載。

當覆土厚度＜0.8 m時，由單個輪壓計算得到的豎向荷載最大；當覆土厚度≥0.8 m后，由雙排四輪壓計算得到的豎向荷載最大。在城-A級車輛荷載作用下，管道覆土厚度＜2.8 m時車輛荷載起控制作用，管道覆土厚度≥2.8 m時堆積荷載起控制作用；在城-B荷載作用下，管道覆土厚度＜2.2 m時車輛荷載起控制作用，管道覆土厚度≥2.2 m時堆積荷載起控制作用。見圖1。

1.2 管道環截面強度計算

[σ=1.76DfEpy0KdγG?qsv，k+γQ?qvkDeD208Sp+0.061Ed] （1）

[γ0σ≤ft] （2）

式中：σ為管壁環向應力設計值，kN/m2；Df為形狀系數；Ep為管材彈性模量，kN/m2；y0為管壁中性軸至管道外壁的距離，m；Kd為管道變形系數；γG為永久荷載分項系數；qsv，k為單位面積上管頂豎向土壓力標準值，kN/m2；γQ為可變荷載分項系數；qvk為地面荷載傳至管頂單位面積上的豎向壓力標準值，kN/m2；De為管道外徑，m；D0為管道計算直徑，m；Sp為管道環剛度，kN/m2；Ed為管側土的綜合變形模量，kN/m2；γ0為管道重要性系數；ft為管道環向彎曲抗拉強度設計值，MPa。

將式（2）兩側取等號并帶入式（1），可得到滿足管道環截面強度要求的最小環剛度

[Sp=0.22DfEpy0KdγG?qsv，k+γQ?qvkDe（D20ft）-0.007 625Ed]

（3）

Df可看作Sp的分段函數，溝槽回填按中高度夯實砂土考慮，則Df可表示為

[Df=8.2-0.6Sp6.496-0.174Sp7.624-0.353Sp6.044-0.156Sp6.6-0.2Sp] [2≤Splt;44≤Splt;6.36.3≤Splt;88≤Splt;12.512.5≤Splt;16] （4）

由于管道變形系數Kd與基礎中心角2α有關，在城-A車輛荷載作用下，聯立式（3）和式（4），可得到考慮基礎中心角的管道所需環剛度與覆土厚度關系。

管道所需環剛度隨覆土厚度的增大呈先變小后變大的拋物線形，覆土厚度在1.5 m左右時環剛度達到最小值。管道所需環剛度隨管徑的增大而增加，隨基礎中心角的增大而減小。見圖2。

1.3 管道環截面變形計算

[ε=DLKdqsv，k+φq?qvkDeD08Sp+0.061Ed×100%] （5）

[ε≤[ε]] （6）

式中：ε為管道豎向直徑變形率；DL為變形滯后效應系數；φq為可變荷載的準永久值系數。

將式（6）兩側取等號并帶入式（5），可得到滿足管道環截面變形要求的最小環剛度

[Sp=DLKdqsv，k+φq?qvkDe（8D0[ε]）-0.007 625Ed] （7）

由式（7）可得到考慮基礎中心角的管道所需環剛度與覆土厚度關系。在管道覆土厚度減小時，管道環截面變形對環剛度無要求；當管道覆土超過一定厚度后，管道所需環剛度隨覆土厚度和管徑的增大而增加，隨基礎中心角的增大而減小。見圖3。

2 有限元分析

2.1 模型建立

為更好地研究埋地HDPE雙壁波紋管的受力與變形特性，采用Midas GTS軟件對管道進行有限元分析。HDPE管道采用線彈性本構模型，土體采用修正的莫爾-庫倫本構模型[2]。HDPE管道的彈性模量Ep=758 MPa，泊松比μ=0.38，重度γ=9.3 kN/m3；基礎中心角以下回填土的彈性模量E=21 MPa，泊松比μ=0.25；基礎中心角以上回填土的彈性模量E=15 MPa，泊松比μ=0.21；地基土的彈性模量E=50 MPa，泊松比μ=0.35。

為減小模型邊界對計算結果的影響，模型土體寬度取7倍管道外徑，管道下側土體取4倍管道外徑[3]。模型兩側施加約束限制水平位移，模型底部施加約束限制豎向位移。見圖4和圖5。

2.2 計算結果分析

規范方法計算的DN800 mm管道應力和豎向變形比有限元方法大10%～50%且隨著覆土厚度的增大，兩種方法計算差值隨覆土厚度增大逐漸增大。當覆土厚度達到5 m時，兩種方法計算所得應力和豎向變形的差值達到42.5%和48.5%，規范方法計算相對保守，產生此種情況，是由于規范計算方法未考慮土拱效應的有利影響，隨著覆土厚度的增加，土拱效應更加明顯[4～5]。見表1。

同管徑的管道在3 m覆土厚度下，規范方法與有限元方法所得應力與豎向變形差值基本保持在同一水平。見表2。

3 環剛度選用分析

由于根據環向穩定性限制條件計算所得管道所需環剛度較小，不作為管道環剛度控制條件，因此管道環剛度主要由環截面強度與變形控制。根據規范方法計算結果可知，當覆土厚度較淺時，管道所需環剛度由環截面強度控制，隨著覆土厚度增加，管道所需環剛度逐漸過渡為由環截面變形控制。管道臨界覆土厚度隨管徑的增加而減小，隨基礎中心角的增加而增加。當管道覆土厚度大于表3所列數值時，需根據管道環截面變形的控制條件計算管道環剛度。

由CECE164：2004可知，管道環剛度分為2、4、6.3、8、12.5、16 kN/m2６個等級。根據規范方法計算結果，統計管道在不同管徑、覆土厚度和基礎中心角下所需環剛度等級，當埋地管道采用HDPE雙壁波紋管時，可直接查表選取管道環剛度。見表4。

由于表4中環剛度是基于城-A車輛荷載下計算所得，當車輛荷載小于城-A級、管道覆土厚度＜2.8 m時，可適當減小管道環剛度，具體減小數值需根據計算確定。

4 結論

1）當管道覆土厚度≥0.8 m，車輛荷載由雙排四輪壓控制。對比車輛荷載與堆積荷載，管道覆土分別＜2.8、2.2 m時，城-A與城-B級車輛荷載計算所得管頂豎向荷載值較大。

2）相較于有限元計算方法，規范方法計算所得管道應力與豎向變形偏大10%～50%，隨著覆土厚度的增加，兩種方法計算結果的差值逐漸增大。

3）根據規范方法計算，管道覆土較淺時所需環剛度由環截面強度控制，管道覆土較深時所需環剛度由環截面變形控制，DN300～800 mm管道環剛度控制條件變化的臨界覆土厚度在3.5～4.8 m之間。

4）根據規范方法計算結果，得到不同管徑、覆土深度與基礎中心角下的管道最小環剛度要求，為今后工程中埋地HDPE雙壁波紋管環剛度選用提供參考。

參考文獻：

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