某岔管系統(tǒng)及鎮(zhèn)墩應力配筋三維有限元計算分析

何曉萌 孫其臣 孫向東 丁佳峰

在水工輸水工程中，鋼岔管是輸水系統(tǒng)的重要組成部分，由于在管道分岔處，支管將圓柱主管剖切開，使得膜應力為主的柱殼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為存在顯著局部應力的復雜受力系統(tǒng)，需設置厚重肋梁聯(lián)合殼體結(jié)構(gòu)承載[1]。因此，岔管系統(tǒng)及鎮(zhèn)墩應力配筋計算與結(jié)構(gòu)安全評估一直是工程中非常重要的研究課題。

1 工程實例簡介

某水電站工程壓力鋼管隨壓力變化分段設計，按07MnMoVR鋼材選?。粡椥阅Ａ縀鋼=2.06×105MPa，泊松比μ鋼=0.3。鎮(zhèn)墩混凝土標號：C25，容重γ混凝土=24 kN/m3，彈性模量 E混凝土=2.8×104MPa，泊松比 μ混凝土=0.167。采用ANSYS三維計算模型假定鉛垂向上為z方向，水流方向為x方向。岔管與鎮(zhèn)墩整體系統(tǒng)計算模型及岔管系統(tǒng)單元圖如圖1所示。岔管設計有2種工況：正常運行工況和水壓試驗工況。兩種工況下內(nèi)水壓力及鋼材允許應力見表1。

圖1 岔管計算單元圖

表1 兩種工況下內(nèi)水壓力及鋼材允許應力

2 1#、2#岔管應力計算結(jié)果

按明岔管分別計算正常工況和水壓試驗工況，1#、2#岔管段的最大Mises應力見表2。計算結(jié)果均滿足07MnMoVR鋼允許應力?？紤]到鋼材的銹蝕，在計算時鋼材厚度相應地減去2 mm。

表2 1#、2#岔管段最大Mises應力

3 岔管系統(tǒng)及鎮(zhèn)墩應力、配筋計算結(jié)果

本次計算只對正常運行工況進行計算，壓力鋼管內(nèi)水壓力2.805 MPa。鋼管和鎮(zhèn)墩鋼筋混凝土按線彈性考慮，鎮(zhèn)墩鋼筋混凝土與鋼管之間的初始環(huán)向縫隙按荷載分解的方法來解決，即總內(nèi)水壓力為p，其中部分內(nèi)水壓力pr1只作用在壓力鋼管上，以彌合混凝土與鋼管之間的縫隙，剩余部分內(nèi)水壓力pr2=p-pr1繼續(xù)作用在壓力鋼管上，由鋼管、混凝土及鋼筋共同承擔。

鎮(zhèn)墩自重由程序自動計入。內(nèi)水壓力分配：內(nèi)水壓力分配和鋼管與混凝土之間的縫隙大小直接相關(guān)，鋼管與混凝土之間的縫隙按DL/T 5141—2001《水電站壓力鋼管設計規(guī)范》附錄B的近似公式計算δ=（3～5.5）×10-4r。

彌合縫隙鋼管先承擔的內(nèi)水壓力pr1=Eδt/r2；鋼管環(huán)向切應力 σθ1=pr1r/t。

鋼管與混凝土共同承擔的內(nèi)水壓力pr2=p-pr1。

考慮鎮(zhèn)墩安全因素，δ取中值，對不同鋼管內(nèi)徑內(nèi)水壓力分配計算見表3。

表3 不同鋼管內(nèi)徑內(nèi)水壓力分配計算表

根據(jù)表3不同鋼管內(nèi)徑內(nèi)水壓力分配計算表，為了鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)安全，選取鋼管與鎮(zhèn)墩聯(lián)合承擔內(nèi)水壓力最大值施加到整個鋼岔管系統(tǒng)中進行計算。正常工況下，沿著水流方向，選取鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)中典型的7個截面進行分析，典型截面選取位置示意圖如圖2所示。根據(jù)有限元計算得到的應力結(jié)果，按照SL 191—2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》第12章“非桿件體系鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的配筋計算原則”中有關(guān)規(guī)定按應力配筋方法進行彈性應力配筋計算。

圖2 鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)典型截面示意圖

按規(guī)范式12.2-1進行計算：

式中 K——承載力安全系數(shù)，按規(guī)范表3.2.4，取1.2；

fy——鋼筋的抗拉強度設計值；

T——鋼筋承擔的拉應力設計值，按彈性主拉應力圖形的全面積計算受拉鋼筋面積。

配筋計算材料參數(shù)選取如下：混凝土材料標號C25，軸心抗拉強度設計值fc=1.27 MPa。鋼筋采用Ⅲ級鋼，鋼筋強度設計值fy=400 MPa。承載力安全系數(shù)K取1.0。鎮(zhèn)墩各典型截面環(huán)向拉力及配筋計算結(jié)果匯總見表4。

表4 鎮(zhèn)墩各典型截面應力、配筋及裂縫計算匯總表（縫隙取中值）

4 正常使用極限狀態(tài)驗算

裂縫寬度按照SL 191—2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》7.2.2條驗算，以A-A、D-D和G-G典型截面為例，管徑最大裂縫寬度計算結(jié)果見表5。

表5 最大裂縫寬度計算

以A-A截面鋼管直徑為5 800 mm鎮(zhèn)墩鋼筋混凝土（縫隙取中值）為例，對頂部位置進行驗算，根據(jù)應力圖形按軸心受拉構(gòu)件進行驗算。

式中 α——按軸心受拉構(gòu)件取2.7；

σsk——鋼筋平均應力，σsk=122.9 MPa；

Es——鋼筋彈模，2.1×105MPa；

c——保護層厚度，取70 mm；

d——鋼筋直徑，32 mm；

ρte——縱向受拉鋼筋有效配筋率，ρte=0.047。

5 結(jié)語

（1）在不考慮外面鎮(zhèn)墩作用的情況下，1#岔管段和2#岔管段在正常運行工況和水壓試驗工況，岔管鋼材膜應力區(qū)和局部應力區(qū)最大Mises應力均滿足鋼材允許應力的要求。

（2）在考慮現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定的鋼材與外包混凝土有縫隙的條件下，計算過程中忽略了混凝土開裂后所引起的鋼管承擔內(nèi)水壓力的增加，以及鋼筋和混凝土承擔的內(nèi)水壓力的減少，此時混凝土受到較大的拉應力，而鋼材的作用沒有充分發(fā)揮，配筋也較大，建議對混凝土開裂后產(chǎn)生的裂縫影響做進一步研究。