平底三通鋼岔管與外包混凝土復合結構承載研究

李月偉 伍鶴皋 汪碧飛

摘要：依托羅田水庫—鐵崗水庫引調水工程實際，采用ABAQUS有限元軟件對檢修車道三梁岔管分別進行了鋼岔管單獨承載和鋼岔管與混凝土聯合承載下的三維有限元分析。研究結果表明：① 考慮外包混凝土聯合承載以后，鋼岔管的受力變形顯著降低，鋼岔管應力分布更為均勻，外包混凝土可以明顯改善鋼岔管的應力集中現象。② 當鋼岔管與混凝土完全接觸時，鋼岔管應力很小，而混凝土承擔大部分內水壓力，所受拉應力超過了混凝土的抗拉強度，需要大范圍配筋。③ 在鋼岔管與外包混凝土之間設置縫隙或墊層后可使得鋼岔管承擔的內水壓力更大，發揮更大的承載作用，同時傳遞給周圍混凝土的內水壓力降低，減少配筋量，使岔管結構更加經濟安全。

關鍵詞：三梁岔管； 聯合承載； 配筋； 引調水工程； 有限元法

中圖法分類號： TV732.4

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.045

0引 言

緩解地區之間的水資源供需矛盾，除了加大節水和污水處理力度，還必須通過引調水工程實現水資源的優化配置，以推動區域間協調發展［1］。世界上很多國家自20世紀初就開始大規模修建引調水工程［2］，從豐水區向缺水區進行調水。據不完全統計，目前世界上已建、在建和擬建跨流域調水工程達160多項，分布于24個國家［3-4］。中國自建國以來也陸續利用調水工程從豐水區向缺水區進行調水，南水北調工程、引灤入津工程、東深供水工程、引黃濟青工程等均是國內著名的跨流域調水工程。

壓力管道是引調水工程中必不可少的核心部分，其設計的合理性、安全性與經濟性至關重要。當引調水工程由一根主管向兩條或兩條以上支管供水時，需要設置分岔管。鋼岔管的結構型式主要有三梁岔管、內加強月牙肋岔管、貼邊岔管、球形岔管和無梁岔管等。而鋼襯鋼筋混凝土岔管復合結構是國內外近幾十年來發展起來的一種岔管型式，其主要特點是鋼岔管外包鋼筋混凝土，兩者共同承受內水壓力，內部鋼襯同時還可以防止內水外滲，而外部的混凝土允許開裂，這樣鋼襯和鋼筋都能夠比較充分地發揮作用。鋼襯可以根據需要采用鋼岔管的某種型式，但由于鋼筋混凝土參加承載，減輕了鋼襯的負擔，因而鋼襯與單獨承載的明鋼岔管相比，管壁可以減薄，加強構件也可以減小甚至取消。這種結構不僅可以節省鋼板用量，使選材和工藝要求簡單，降低造價，而且結構安全性也比明鋼岔管更好［5-6］。

鑒于以上現狀，本文結合羅田水庫—鐵崗水庫引調水工程中的通車三梁岔管，通過有限元軟件ABAQUS研究了通車三梁岔管與鎮墩外包鋼筋混凝土的聯合承載特性與影響因素。

1工程概況

羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞連通工程是珠江三角洲水資源配置工程在深圳市境內的配套項目之一，工程全線位于深圳市西部城區。輸水隧洞自寶安區松崗鎮東北部羅田水庫取水，總體由北往南，將西江水引入鐵崗水庫。該工程在檢修排水井處設有檢修車道岔管（以下簡稱“通車三梁岔管”），主管直徑5 200 mm，通車支管直徑3 200 mm，鋼岔管外包混凝土，岔管布置如圖1所示。

通車三梁岔管支管與主管垂直，岔管腰梁外緣、內緣為圓形，U梁（加強梁）外緣、內緣均為橢圓形。通車三梁岔管尺寸見圖2。

鋼岔管采用Q345R鋼材，容重為7.85×10-5 N/mm3，鋼材彈性模量為2.06×105 N/mm2，泊松比為0.30，線膨脹系數為1.2×10-5/℃。管壁和三梁所使用的鋼板屈服強度分別為325 MPa和305 MPa。

根據SL/T 281-2020《水利水電工程壓力鋼管設計規范》［7］，岔管鋼材允許應力見表1，該工程鋼岔管均采用雙面焊接，焊縫系數取為0.95。

外包混凝土為C30強度等級，彈性模量30 GPa，泊松比0.167，抗拉強度和抗壓強度標準值分別為2.01 MPa和20.1 MPa。

根據該工程輸水管道調保計算，考慮水錘升壓，上述檢修車道岔管處最大內壓水頭為107.07 m。通過對通車三梁鋼岔管在正常運行和水壓試驗工況下單獨承載進行三維有限元計算，得到滿足Q345R鋼材允許應力的鋼岔管參數列于表2。

2計算模型與方案

如前所述，布置在輸水系統工作井或溝槽內的鋼岔管，為了保持其在不平衡水壓力作用下的穩定性，一般均需外包鋼筋混凝土以成為混凝土鎮墩。本文通車三梁岔管布置和外包鎮墩混凝土設計尺寸如圖3所示。

按照相關規定，模型在主管兩端以及混凝土鎮墩底部均取法向約束，外包混凝土兩側為自由邊界，支管端部接橢圓形悶頭。鋼岔管管殼和加強梁網格剖分全部采用4節點S4板殼單元；鎮墩混凝土采用8節點C3D8實體單元進行模擬；鋼岔管與外包混凝土之間縫隙或墊層通過設置面-面接觸來模擬，摩擦系數為0.6。

有限元模型建立在笛卡爾直角坐標系（X，Y，Z）下，XOY面為水平面，豎直方向為Z軸，向上為正，坐標系成右手螺旋，坐標原點位于主管與支管軸向交匯處。鋼岔管和鎮墩混凝土有限元計算網格如圖4～5所示。

為了研究鋼岔管與外包混凝土之間初始縫隙值和墊層材料的影響，對表3中3種方案進行了三維線彈性有限元分析。其中方案D-2中初始縫隙值按主管半徑的4/10 000計算，即為1.04 mm；方案D-3中沿鋼岔管上半周設置墊層，包括U梁和腰梁。

3鋼岔管受力分析

根據計算結果，整理了正常運行工況下鋼岔管管殼內、外、中面及三梁岔管的Mises應力，如圖6～9所示；圖10列出了鋼岔管單獨承載時的Mises應力云圖以作對比。

對比3種聯合承載方案和單獨承載時的鋼岔管應力云圖，可以看出：

（1） 考慮外包混凝土方案下的鋼岔管應力均較鋼岔管單獨承載時有顯著減小，分岔管母線轉折角附近不再有明顯的應力集中，應力分布更為均勻，且三梁岔管應力相比單獨承載也有大幅降低。這說明外包混凝土可大幅度減小鋼岔管的結構應力和緩解應力集中現象。但由于悶頭和部分支管裸露在外面，沒有外包混凝土協助承擔內水壓力，支管出口處仍會產生一定的應力集中現象，3種方案下鋼岔管的最大Mises應力均在此產生。

（2） 方案D-1鋼岔管與混凝土完全接觸，而方案D-2與D-3分別考慮了鋼岔管與混凝土的縫隙和墊層的作用，鋼岔管傳遞給混凝土的內水壓力減小，因此鋼岔管整體膜應力均較方案D-1大，但都小于鋼岔管單獨承載時的應力水平。

（3） 在進行外包混凝土配筋設計時，為了安全起見，應假定初始縫隙為0，即按照方案D-1中外包混凝土應力計算配筋；而在分析鋼岔管應力時，應按縫隙值最大的 D-2方案進行評價，經與鋼材允許應力比較，D-2方案鋼岔管應力均可滿足小于允許應力的要求，且有較大富余。

4混凝土應力與配筋分析

為對比分析方案D-1、D-2、D-3的外包混凝土應力，按照圖11所示兩種路徑方向分別整理混凝土的最大主應力，其中原點O位于支錐管出口外包混凝土輪廓處右側腰部中點，K為以O點為起點出發的水平距離，β為以O點為0°起點沿支錐管出口外包混凝土輪廓線逆時針旋轉的角度。

上述路徑下各方案混凝土最大主應力變化曲線如圖12～13所示。分析可知，方案D-1支錐管出口附近混凝土最大主應力明顯超過方案D-2與D-3，方案D-2混凝土應力最小。方案D-1在K路徑上距O點約0.5 m范圍內混凝土最大主應力均超過C30抗拉強度標準值2.01 MPa（圖12），且其支錐管出口處混凝土最大主應力除支錐管出口輪廓線下方部分區域以外，其他位置也均超過抗拉強度標準值（圖13）。而方案D-2與D-3在兩路徑上混凝土最大主應力均小于抗拉強度標準值。

這是因為方案D-1中鋼岔管與外包混凝土完全接觸，鋼岔管所受內水壓力能較好地傳遞給混凝土承擔，因此其支錐管出口處附近外包混凝土最大主應力較大，出現應力集中現象，應重視此區域混凝土配筋情況。方案D-2由于鋼岔管與混凝土之間存在初始縫隙，鋼岔管受內水壓力變形時，所受內水壓力不會及時傳遞給外包混凝土，因此混凝土承擔的內水壓力最小，最大主應力最小。方案D-3在鋼岔管與混凝土之間設置墊層后，在鋼岔管受水壓變形向外包混凝土傳力時墊層起到了很好的緩沖作用，使得傳遞給周圍混凝土的內水壓力較小，支錐管出口處附近外包混凝土最大主應力較小。

根據SL 191-2008《水工混凝土結構設計規范》［8］中的拉應力圖形法，將圖14所示混凝土典型截面的合力與配筋列于表4。

分析表4中各方案岔管外包混凝土截面合力和配筋量可知：

（1） 當鋼岔管與混凝土完全接觸時（方案D-1），混凝土承擔的內水壓力最大，因此其最大主應力也最大。綜合考慮各截面的配筋面積，建議從里向外配置3層環向鋼筋，其中沿鋼岔管表面布置一層鋼筋，沿混凝土外緣布置兩層鋼筋，鋼筋直徑為25 mm，間距200 mm。

（2） 方案D-2考慮了縫隙以后，混凝土分擔的內水壓力減少，其整體所受應力不大，綜合考慮各斷面的配筋面積，建議從里向外配置2層環向鋼筋，其中沿鋼岔管表面布置一層鋼筋，沿混凝土外緣布置一層鋼筋，鋼筋直徑為22 mm，間距200 mm。

（3） 方案D-3鋼岔管上半周設置了軟墊層，混凝土上半周分擔的內水壓力較小，其最大主應力小于

下半部。同方案D-2類似，方案D-3混凝土整體拉應力不大，綜合考慮各斷面的配筋面積，建議從里向外配置2層環向鋼筋，其中沿鋼岔管表面布置一層鋼筋，沿混凝土外緣布置一層鋼筋，鋼筋直徑為22 mm，間距200 mm。

5結 論

本文通過對引調水工程中典型的通車三梁岔管進行單獨承載分析、鋼岔管與外包混凝土聯合承載分析，得出以下結論：

（1） 考慮外包混凝土聯合承載以后，鋼岔管的受力變形顯著降低，鋼岔管應力更為均勻，外包混凝土可以改善鋼岔管的應力集中現象。但3種外包混凝土方案均在支管與混凝土相交出口處產生應力集中，應特別注意該位置處鋼岔管及悶頭的受力情況。考慮初始縫隙和墊層作用以后，混凝土分擔的內水壓力減小，拉應力減小，整體所受拉應力基本上小于混凝土的抗拉強度，按照構造配筋即可。

（2） 設置初始縫隙方案雖與設墊層方案的鋼岔管受力基本一致，但實際工程中鋼岔管與混凝土之間的間隙不好確定和控制，且從限裂的角度而言，鋼岔管與外包鋼筋混凝土之間設墊層的方案更有優勢，因此可以考慮在鋼岔管與混凝土之間設置軟墊層來充分發揮鋼岔管的作用，同時減少配筋量，使岔管結構更加經濟安全。

參考文獻：

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［6］伍鶴皋，PD葛斯林，丁旭柳.壓力管道分岔管段合理形式的研究［J］.水利水電快報，2000，21（4）：62-92.

［7］中華人民共和國水利部.水利水電工程壓力鋼管設計規范：SL/T 281-2020［S］.北京：中國水利水電出版社，2020.

［8］中華人民共和國水利部.水工混凝土結構設計規范：SL 191-2008［S］.北京：中國水利水電出版社，2009.

（編輯：郭甜甜）