腐蝕管道非開挖修復(fù)中相關(guān)項管道強(qiáng)度評估和計算方法探討

張 軍 謝 莉 石東優(yōu) 張 杰 曾張成

（重慶克那維環(huán)?？萍加邢薰?，重慶 401120）

0 引言

隨著城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，排水管道的建設(shè)規(guī)模也在逐年增加。由于管網(wǎng)建設(shè)材質(zhì)、施工質(zhì)量問題，以及相應(yīng)的配套法規(guī)、行政管理滯后，加之管道管理維護(hù)水平低下，造成雨污排水管道存在結(jié)構(gòu)性和功能性缺陷[1-2]，容易引起路面塌陷，出現(xiàn)“城市看?！钡默F(xiàn)象，會給城市居民帶來不同程度的損失。

采非開挖修復(fù)技術(shù)對管道進(jìn)行維修，施工面小、流程簡單、對環(huán)境影響小、施工費用低、工期短、修復(fù)強(qiáng)度高，可用于不同材質(zhì)病害管道的修復(fù)，與開挖修復(fù)技術(shù)相比，應(yīng)用更廣泛。本文開展了基于非開挖修復(fù)技術(shù)的腐蝕管道剩余強(qiáng)度評估、CIPP內(nèi)襯管結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計方法以及復(fù)合管道強(qiáng)度計算方法的探討，可為非開挖管道修復(fù)工程設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 腐蝕管道剩余強(qiáng)度的評估及計算方法

1.1 腐蝕管道剩余強(qiáng)度的評估方法

剩余強(qiáng)度是原材料自身出現(xiàn)腐蝕損傷后所具有的極限承載能力。目前剩余強(qiáng)度評估方法有 RSTRENG（Remaining Strength of Corroded Pipe）[3]、修正的 B31G 準(zhǔn)則、ASME B31G-2009/2012 標(biāo)準(zhǔn)、ASME B31G-1991 標(biāo)準(zhǔn)、有限元分析方法[4]、分項安全系數(shù)法[5]。剩余強(qiáng)度值是判斷運行管道的承載能力強(qiáng)弱，是管道設(shè)計及修復(fù)施工方案的重要參數(shù)。

1.2 腐蝕管道剩余強(qiáng)度的計算方法

目前，用于腐蝕管道剩余強(qiáng)度計算的方法主要有規(guī)范法[6]、斷裂力學(xué)半經(jīng)驗公式法[7]、D-M 法[8]、彈塑性力學(xué)法[9]。

1.2.1 彈塑性力學(xué)法

對管道剩余強(qiáng)度的評估必須考慮復(fù)雜受力情況?；炷凉艿罏閺椝苄圆牧希涫Ｓ鄰?qiáng)度計算必須考慮原管道的彈塑性行為，采取彈塑性斷裂力學(xué)進(jìn)行分析。將常用計算方法和彈塑性斷裂力學(xué)相結(jié)合，可得出在一定條件下管道極限工作壓力和腐蝕管道剩余強(qiáng)度的計算式。

若腐蝕管道在特定加載外力條件，根據(jù)彈塑性力學(xué)分析中的Tresca屈服準(zhǔn)則有：

式中：

D——管道公稱內(nèi)徑，mm；

tc——均勻腐蝕管道壁厚，mm；

μ——泊松比；

σs——軸向應(yīng)力，MPa。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范準(zhǔn)則和彈塑性斷裂力學(xué)理論分析，在一定缺陷條件下，管道軸向及環(huán)向最大允許工作壓力Pmax。

圖1 混凝土管道管段受力圖

管道軸向許用工作壓力為：

管道環(huán)向許用工作壓力為：

管道的極限承載力：

式中：

Pmax——管道的極限承載力，MPa；

β——取值為1或2μ，μ為材料泊松比；

F——管道軸向載荷，kN。

1.2.2 D-M法

D-M法最早用于鋼管材質(zhì)的油氣管道剩余強(qiáng)度的評估，順著該評估方法的不斷優(yōu)化更新，評估范圍已經(jīng)擴(kuò)展到彈塑性材料混凝土管道剩余強(qiáng)度的評估，可以利用D-M模型進(jìn)行剩余強(qiáng)度的計算。

根據(jù)D-M斷裂力學(xué)計算彈塑性斷裂失效管道的剩余強(qiáng)度為：

式中：

σp——軸向缺陷剩余強(qiáng)度，MPa；

δc——裂紋允許張開位移，mm；

E——彈性模量，MPa；

σs——材料的屈服應(yīng)力，MPa；

M——鼓脹系數(shù)，無因次；

Nsafe——安全系數(shù)，無因次。

1.2.3 斷裂力學(xué)半經(jīng)驗公式法

只考慮無壓排水管道內(nèi)壁損傷情況下，根據(jù)斷裂力學(xué)理論，帶有環(huán)向缺陷的混凝土管線強(qiáng)度按B13G規(guī)范確定，失效管道的剩余強(qiáng)度σp為：

式中：

D——管道內(nèi)徑，mm；

L——腐蝕缺陷長度，mm；

a——腐蝕缺陷深度，mm；

t——管道壁厚，mm；

σp——軸向缺陷剩余強(qiáng)度，MPa；

M——鼓脹系數(shù)，無因次；

Nsafe——安全系數(shù)，無因次；

?——修正系數(shù)，無因次；

σs——材料的屈服應(yīng)力，MPa。

1.2.4 規(guī)范法

在排水管道中，地下（鋼筋）混凝土管道的剩余強(qiáng)度可根據(jù)規(guī)范法進(jìn)行評估。目前，可根據(jù)混凝土工程結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范及相關(guān)規(guī)定得出管道承載力和彎矩的計算式。

（1）管道極限彎矩計算式。

根據(jù)排水管道埋設(shè)深度、外部荷載，計算出排水管道承受的極限彎矩：

式中：

Mc——管壁上截面的彎矩設(shè)計值，kM?m；

Q——破壞載荷，kN/m；

GH——混凝土排水管管自重，kN；

Km1，Km1——管座支撐系數(shù)，無量綱；

R——圓管的計算半徑，m。

Q和K取值根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11836-2009給出的混凝土管規(guī)格、外壓荷載和內(nèi)水壓力檢驗指標(biāo)表及支撐系數(shù)取值表。

（2）管道極限承載力計算式。

管道極限承載力計算式為：

式中：

Nc——管壁上截面的承載力設(shè)計值，MPa。

2 CIPP內(nèi)襯管管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計計算方法

目前，內(nèi)襯管管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計包括結(jié)構(gòu)或半結(jié)構(gòu)性設(shè)計，結(jié)合原管道勘查結(jié)果和現(xiàn)場的檢測評估報告，充分了解原管道的腐蝕情況，以及施工現(xiàn)場的水文地質(zhì)條件和交通環(huán)境情況進(jìn)行綜合考慮。

2.1 基于半結(jié)構(gòu)性修復(fù)的強(qiáng)度設(shè)計計算

管道半結(jié)構(gòu)性修復(fù)CIPP內(nèi)襯管壁厚根據(jù)規(guī)范CJJT 210-2014給出的公式進(jìn)行計算：

式中：

C——橢圓度折減因子；

t——內(nèi)襯管的壁厚，mm；

P——地下水壓，MPa；

Dmin——原有舊管道的最小內(nèi)徑，mm；

N——安全系數(shù)，取2.0；

q——原管道橢圓度，%；

D——原管道平均內(nèi)徑，mm；

Dmax——原管道最大內(nèi)徑，mm；

K——圓周支持率，取7.0；

EL——內(nèi)襯管長期彈性模量，MPa，取短期彈性模量的1/2；

μ——泊松比，取0.3。

2.2 基于結(jié)構(gòu)性修復(fù)的強(qiáng)度設(shè)計計算

管道結(jié)構(gòu)性修復(fù)CIPP 內(nèi)襯管壁厚根據(jù)規(guī)范CJJT 210-2014給出的公式進(jìn)行計算：

式中：

qt——管道總的外部壓力，MPa；

Hw——管頂水位高度，m；

Rw——水浮力因子，取0.67；

Ws——動載荷，MPa；

H——管頂覆土厚度，m；

Pv——真空壓力，取0.05MPa；

W——土體重度，kN/m3；

I——內(nèi)襯管的轉(zhuǎn)動慣量，mm4/mm；

B'——彈性支撐系數(shù)。

3 復(fù)合管道強(qiáng)度計算方法

針對運營管道只存在內(nèi)腐蝕情況，原管道修復(fù)后，內(nèi)襯管與原管道內(nèi)壁緊密貼合，外部的土壓力，水壓力和動荷載由內(nèi)襯管和原管道形成的復(fù)合管共同承擔(dān)。

根據(jù)彈塑性力學(xué)組合厚壁圓筒理論，對于原管道和內(nèi)襯管復(fù)合層強(qiáng)度等于兩個管道獨立極限承載力之和：

3.1 復(fù)合管道軸向強(qiáng)度計算

假設(shè)原管道內(nèi)壁發(fā)生均勻腐蝕，根據(jù)Tresca屈服準(zhǔn)則，原管道軸向應(yīng)力計算式：

內(nèi)襯管與原管道間無縫隙或地下水壓力，未發(fā)生屈曲破壞，在外部荷載作用下共同發(fā)生梁彎曲，內(nèi)襯管軸向應(yīng)力計算式：

軸向復(fù)合管道環(huán)向極限承載力計算式：

3.2 復(fù)合管道環(huán)向強(qiáng)度計算

內(nèi)襯管與原管道內(nèi)壁緊密接觸，內(nèi)襯管未發(fā)生屈曲破壞，原管道在外部周向壓力下產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，內(nèi)部水壓引起內(nèi)襯管環(huán)向應(yīng)力。

內(nèi)襯管環(huán)向應(yīng)力計算式：

原管道剩余強(qiáng)度計算式：

復(fù)合管道環(huán)向極限承載力計算式：

式中：Pcrθ——復(fù)合管道環(huán)向極限承載力，MPa。

4 結(jié)束語

腐蝕管道采用非開挖修復(fù)技術(shù)具有施工便捷，操作簡單，環(huán)境影響小，費用低，修復(fù)周期短，與原管道緊密貼合，強(qiáng)度高，可用于多材質(zhì)、多截面病害管道等優(yōu)點。本文通過對非開挖修復(fù)技術(shù)應(yīng)用時的腐蝕管道剩余強(qiáng)度評估方法和計算方法、CIPP內(nèi)襯管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計設(shè)計方法以及復(fù)合管道強(qiáng)度計算方法進(jìn)行分析，為非開挖管道修復(fù)工程設(shè)計提供理論依據(jù)。