某淺埋壓力鋼管三維有限元分析

范永平 馬妹英 呂曉騰

某淺埋壓力鋼管三維有限元分析

范永平 馬妹英 呂曉騰

淺埋壓力鋼管計算一般利用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行計算，設(shè)計過程中未考慮鋼管加勁環(huán)對鋼管加固的空間受力，計算結(jié)果偏保守。采用整體有限元方法，對某工程淺埋鋼管進(jìn)行了分析，較好地反應(yīng)了鋼管的實際的受力狀態(tài)，為施工圖設(shè)計提供了依據(jù)。

壓力鋼管 淺埋 有限元分析

1 工程概況

某水電站工程壓力鋼管布置在電站前池至廠房間，隨壓力變化分段設(shè)計，鋼管壁厚由12 mm增大到36 mm，均采用16MnR鋼制作，鋼管沿線均設(shè)置加勁環(huán)，加勁環(huán)間距2.0 m，采用厚16 mm的16MnR鋼制作，加勁環(huán)高100 mm。壓力鋼管采用淺埋回填管，管底部設(shè)置40 cm厚鋼筋混凝土墊板，墊板底部鋪設(shè)10 cm厚的素混凝土墊層，墊板寬3.6 m，布置在開挖的溝槽內(nèi)。管頂平均回填深度2.0 m，回填料為開挖的砂礫石土。壓力鋼管及鋼筋混凝土墊板結(jié)構(gòu)如圖1所示，為了簡化計算且避免端部效應(yīng)，計算模型取15環(huán)。

為了探求壓力鋼管設(shè)計的合理性，本文采用有限單元法，以壓力鋼管(圓形斷面)為基礎(chǔ)，針對鋼材采用線彈性本構(gòu)模型，研究其在自重、內(nèi)水壓力、土壓力及外壓荷載作用下的變形和應(yīng)力響應(yīng)，從而為施工圖設(shè)計提供依據(jù)，并且結(jié)構(gòu)體系更加合理化。計算采用ANSYS程序。

圖1 淺埋壓力鋼管結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)

2 計算條件及邊界條件

2.1 計算參數(shù)

在對壓力鋼管進(jìn)行三維有限元分析時，有關(guān)材料參數(shù)如表1所示。

2.2 計算荷載

(1)自重：壓力鋼管、加勁肋、混凝土墊座均考慮自重影響。

表1 材料參數(shù)

(2)土壓力：采用豎向土壓力(及雪壓力)和水平土壓力來表示，豎向土壓力以土體自重公式計算，水平土壓力以郎肯主動土壓力公式計算，且同時考慮兩者的線性分布。計算公式如下：

豎向土壓力：qv=γH

(1)

水平土壓力：qH=kγH

(2)

式中γ——填土容重，kN/m3；

H——計算點填土深度，m；

k——側(cè)向土壓力系數(shù)，按照k=tan2(45-φ/2)計算；

φ——填土的內(nèi)摩擦角，(°)。

2.3 邊界條件

壓力鋼管和鋼筋混凝土墊板結(jié)構(gòu)計算模型的邊界條件分為位移邊界和應(yīng)力邊界兩類?？紤]最不利條件且僅針對中間管段進(jìn)行分析，故僅在混凝土墊板底部施加位移全約束。如圖2。

圖2 壓力鋼管計算模型及邊界條件

3 計算工況及分析路徑

針對原壓力鋼管(圓形斷面)，鋼材與混凝土均采用線彈性本構(gòu)模型，考慮到控制工況為檢修工況，本次設(shè)計分析工況如下。

工況：壓力鋼管檢修工況；荷載組合：結(jié)構(gòu)自重+土壓力。

為了便于分析壓力鋼管結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形分布規(guī)律，順著水流方向，分別在12：00、13：30和15：00位置沿鋼管軸向定義路徑1、路徑2和路徑3；沿鋼管環(huán)向，在環(huán)間管壁、加固位置管壁和加勁環(huán)處管壁的上半圓分別定義路徑4、路徑5和路徑6。

4 計算結(jié)果分析

4.1 應(yīng)力分析

在自重+土壓力(豎向+側(cè)向)作用下，中間管段應(yīng)力圖如圖3、4所示。由圖可知，壓力鋼管最大環(huán)向拉應(yīng)力為51.5 MPa，位于管腰處的加勁環(huán)上；最大環(huán)向壓應(yīng)力為-22.5 MPa，位于鋼管與混凝土墊層交接處的加勁環(huán)上；最大Mises等效應(yīng)力為125 MPa，也位于鋼管與混凝土墊層交接處的加勁環(huán)上。整體來看，由于土壓力的影響，鋼管和加勁環(huán)上局部區(qū)域拉、壓應(yīng)力均較大，但均在鋼板屈服應(yīng)力范圍之內(nèi)。與僅考慮豎向土壓力相比，由于側(cè)向土壓力的影響，壓力鋼管的應(yīng)力有所減小，側(cè)向土壓力對鋼管受力有利。

圖3 管段(含加勁環(huán))環(huán)向應(yīng)力圖

圖4 管段(含加勁環(huán))米塞斯應(yīng)力圖

從圖中可以看出，在軸向上，加勁環(huán)與鋼管交接處的環(huán)向應(yīng)力和Mises等效應(yīng)力最大；管頂處的環(huán)向拉應(yīng)力最大，管腰處的環(huán)向拉、壓應(yīng)力相差不大，而13：30處的環(huán)向應(yīng)力相對較小。在環(huán)向上，鋼管中部的環(huán)向應(yīng)力和Mises等效應(yīng)力均不大；而加勁環(huán)處的環(huán)向應(yīng)力較大，且環(huán)向壓應(yīng)力與環(huán)向拉應(yīng)力相差不大。與僅考慮豎向土壓力相比，考慮側(cè)向土壓力時鋼管受力趨于好轉(zhuǎn)。

4.2 變形分析

在自重+土壓力(豎向+側(cè)向)作用下，中間管段變形云圖如圖5所示。由圖可知，壓力鋼管最大向內(nèi)徑向變形為5.31 mm，位于管頂；最大向外徑向變形為4.05 mm，位于管腰；最大綜合位移為5.31 mm，也位于管頂。整體來看，由于豎向土壓力的影響，壓力鋼管的變形量較大，斷面開始呈橢圓狀。與僅考慮豎向土壓力相比，考慮側(cè)向土壓力時鋼管變形有所減小。

圖5 管段(含加勁環(huán))位移云圖

壓力鋼管分析路徑上位移變化曲線管頂處徑向變形和綜合變形基本相同，管腰處徑向變形和綜合變形相差不大，一點半鐘處徑向變形和綜合變形相差較大。由于加勁環(huán)的限制作用，該部位的變形稍小一些。

5 結(jié) 語

本文通過對淺埋鋼管的整體有限元計算分析，較好地反應(yīng)了鋼管的實際受力情況，得出了淺埋鋼管在控制工況下應(yīng)力分布、應(yīng)力大小以及鋼管的變形情況，設(shè)計過程中可以直接應(yīng)用。保證了工程的設(shè)計質(zhì)量，為施工圖設(shè)計提供了有力依據(jù)。

[1] 王勖成，邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[M].北京：清華大學(xué)出版社，1997.

[2] SL 191—2008 水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

TV732.4

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1007-6980(2017)02-0009-03

2017-03-22)

范永平 男 高級工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222

馬妹英 女 高級工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222

呂曉騰 男 高級工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222