城市供水管網(wǎng)中鋼筋混凝土岔管受力分析

姬棟宇，鄧夏清，李 帥，謝靜儀

(湖南城建職業(yè)技術學院，湖南 湘潭 411101)

1 概 述

城市供水管網(wǎng)在城市建設和發(fā)展過程中發(fā)揮著重要的作用，是城市的重要基礎設施，完善的城市供水管網(wǎng)能夠保障城市的正常高效運轉，促進城市經(jīng)濟快速可持續(xù)發(fā)展。隨著我國城鎮(zhèn)化進程的不斷發(fā)展，城市面臨的壓力越來越大。為確保國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，我國政府在逐年加大對城市地下供水管網(wǎng)建設的投入，供水管網(wǎng)建設得到快速發(fā)展[1]。鋼筋混凝土岔管結構是保證城市供水管網(wǎng)正常運行的重要結構，某城市供水管網(wǎng)輸水岔管結構采用鋼筋混凝土岔管結構，鋼筋混凝土岔管布置主要由引水主管、岔管、支管等部分組成，主管內徑為4.50 m，支管內徑為2.25 m。鋼筋混凝土主管、岔管和支管均為0.7 m，混凝土強度等級為C30，鋼筋采用Ⅱ級[2]。

2 計算模型

采用有限單元法，建立城市供水管網(wǎng)輸水岔管結構計算模型。在對模型進行單元剖分時，采用20節(jié)點等參塊體單元 SOLID 95模擬鋼筋混凝土岔管結構[3]，采用8節(jié)點等參塊體單元SOLID 45模擬岔管周圍巖體[4]。該計算模型中，單元總數(shù)為44 879，節(jié)點總數(shù)為26 108。其中，SOLID 95單元總數(shù)為31 491，SOLID 45單元總數(shù)為13 388。岔管及巖體結構單元剖分見圖1。

圖1 岔管及巖體結構單元剖分

3 岔管結構分析

3.1 計算工況

在分析該城市供水管網(wǎng)輸水岔管結構應力規(guī)律時，結合工程的實際情況[5]，考慮以下7種計算工況。工況1：考慮岔管承受最大內水壓力為0.57 MPa，并承受巖體對岔管的約束作用；工況2：考慮岔管承受最大內水壓力為0.96 MPa，并承受巖體對岔管的約束作用；工況3：考慮岔管承受灌漿外壓力0.3 MPa的作用，并考慮運行過程岔管承受最大水頭內壓力0.57 MPa及巖體對岔管的約束作用；工況4：考慮岔管承受灌漿外壓力0.3 MPa的作用，并考慮運行過程岔管承受最大水頭內壓力0.96 MPa及巖體對岔管的約束作用；工況5：考慮岔管承受灌漿外壓力0.3 MPa的作用；工況6：考慮岔管承受灌漿外壓力0.3 MPa及最大水頭內壓力0.96 MPa的作用；工況7：該工況為檢修工況，同時考慮岔管承受灌漿外壓力0.3 MPa和外水壓力0.57 MPa的作用。

3.2 分析斷面

為了分析城市供水管網(wǎng)輸水岔管結構的受力情況，在岔管的分岔位置取出12個分析斷面，斷面位置見圖2。

圖2 岔管結構分析斷面示意圖

3.3 應力分析

在城市供水管網(wǎng)輸水岔管結構的受力中，共考慮7種計算工況，各工況下岔管結構的最大環(huán)向拉、壓應力見表1。在混凝土岔管結構設計中，考慮工況2施工因素及巖體的約束作用，L-L斷面上出現(xiàn)的最大環(huán)向拉應力為6.300 MPa，該工況符合工程實際，為此將其定為設計工況。另外，工況5對混凝土岔管結構施加灌漿壓力0.3 MPa，此時岔管結構的壓應力較大，將該工況定為校核承受極限壓應力工況。

表1 各種工況下岔管結構的最大環(huán)向拉壓應力

工況2考慮最大內水壓力0.96 MPa，只考慮巖體的約束作用，不計巖體自重。由此求得的岔管結構部分斷面計算點上的應力分布見圖3至圖8。A-A斷面上出現(xiàn)的最大環(huán)向拉應力為2.848 MPa，最大環(huán)向壓應力為-0.712 MPa；B-B斷面上出現(xiàn)的最大環(huán)向拉應力為2.868 MPa，最大環(huán)向壓應力為-0.955 MPa；C-C斷面上出現(xiàn)的最大環(huán)向拉應力為3.290 MPa，最大環(huán)向壓應力為-0.969 MPa；D-D斷面上出現(xiàn)的最大環(huán)向拉應力為2.698 MPa，最大環(huán)向壓應力為-0.900 MPa；E-E斷面上出現(xiàn)的最大環(huán)向拉應力為2.645 MPa，最大環(huán)向壓應力為-1.017 MPa；F-F斷面上出現(xiàn)的最大環(huán)向拉應力為5.495 MPa，最大環(huán)向壓應力為-1.552 MPa；G-G斷面上出現(xiàn)的最大環(huán)向拉應力為2.395 MPa，最大環(huán)向壓應力為-0.765 MPa；H-H斷面上出現(xiàn)的最大環(huán)向拉應力為2.064 MPa，最大環(huán)向壓應力為-1.001 MPa；I-I斷面上出現(xiàn)的最大環(huán)向拉應力為5.495 MPa，最大環(huán)向壓應力為-0.535 MPa；J-J斷面上出現(xiàn)的最大環(huán)向拉應力為1.182 MPa，無環(huán)向壓應力；K-K斷面上出現(xiàn)的最大環(huán)向拉應力為3.059 MPa，最大環(huán)向壓應力為-0.562 MPa；L-L斷面上出現(xiàn)的最大環(huán)向拉應力為6.300 MPa，最大環(huán)向壓應力為-1.540 MPa。

圖3 工況2下B-B斷面環(huán)向應力圖(MPa)

圖4 工況2下D-D斷面環(huán)向應力圖(MPa)

圖5 工況2下F-F斷面環(huán)向應力圖(MPa)

圖6 工況2下I-I斷面環(huán)向應力圖(MPa)

圖7 工況2下K-K斷面環(huán)向應力圖(MPa)

圖8 工況2下L-L斷面環(huán)向應力圖(MPa)

3.4 圍巖結構受力分析

為了分析在各工況下圍巖結構的受力情況，圖9至圖11給出了工況2下圍巖的應力分布云圖。由圖9-圖11可以看出，當岔管受內壓0.96 MPa的內壓作用時，岔管周圍巖體環(huán)向應力受內壓作用的影響范圍大約以岔管軸線為圓心、10 m左右為半徑的圓形區(qū)域內。岔管周圍巖體的最大環(huán)向拉應力為0.2 MPa左右，而巖體材料抗拉強度為4.0 MPa。由此可見，巖體能夠承受最大內水壓力0.96 MPa的內壓作用，滿足設計要求。

圖9 工況2下D-D斷面圍巖環(huán)向應力云圖(kPa)

圖10 工況2下J-J斷面圍巖環(huán)向應力云圖(kPa)

圖11 工況2下沿岔管軸線水平斷面圍巖環(huán)向應力云圖(kPa)

4 結 語

綜上所述，考慮工況4的荷載組合情況，該工況下岔管結構中L-L斷面最大環(huán)向拉應力為4.648 MPa。該工況的計算結果可以作為該城市供水管網(wǎng)輸水岔管結構配筋計算的依據(jù)，通過對岔管進行配筋設計，并對該鋼筋混凝土岔管結構進行極限狀態(tài)應力校核驗算，驗算結果滿足限裂條件，可以實現(xiàn)混凝土岔管結構的限裂設計。