超大管徑PCCP輸水管與鋼管接駁口承載變形性狀有限元數(shù)值模擬研究

肖雪莉，楊士發(fā)，陳遜賢，黃懷立，周廣宇，馮德鑾

（1、廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 廣州510006；2、廣州市自來水有限公司 廣州510600）

0 引言

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）是由多種材料組成的一種非金屬復(fù)合管材，具有密封性強、強度高、抗老化和高抗?jié)B的良好性能［1］。PCCP 管在長距離引水及供水工程、廢水處理工程、雨水排污管道工程等應(yīng)用廣泛［2］。

1893 年Bonna 設(shè)計并制造出鋼筒混凝土管并將其應(yīng)用于引水管網(wǎng)中，1939年進一步研究出耐壓的預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管［3］；1942年和1953年美國分別首次研制出內(nèi)襯式PCCP 管和埋置式PCCP 管［4］。由于PCCP 管具有耐腐蝕、高強度、易安裝等諸多優(yōu)點，迅速在實際工程中得到應(yīng)用［5］。但是，PCCP管存在對外圍擾動敏感、土壤侵蝕等問題，若不及時檢測和修復(fù)，輕則管道損傷［6］，重則發(fā)生爆管事故［7-9］，引發(fā)嚴(yán)重的經(jīng)濟、環(huán)境和社會問題。

隨著PCCP 管在長距離供水工程中的大范圍應(yīng)用，能否長期安全穩(wěn)定運行成為我們關(guān)注的重點［10］，國內(nèi)外不少學(xué)者用有限元軟件對PCCP 管模擬其受力和變形情況，結(jié)合實際工程情況對PCCP 管的穩(wěn)定性進行合理分析。Zarghamee 等人［11-12］利用有限元軟件研究其在內(nèi)水壓力、流體自重、回填土自重等因素擾動下受到的裂縫延展度、變形和受力變化情況；Diab等人［13］建立相關(guān)有限元模型分析3 種鋼絲受擾動受損時的區(qū)域位置及變形；胡少偉等人［14］利用有限元模型模擬PCCP 管道抗裂外壓承載試驗的受力特性，得出預(yù)存裂縫在外荷載作用下使混凝土發(fā)生應(yīng)力集中；彭壽海［15］建立PCCP輸水管線的平面應(yīng)變模型以分析其處于正常運作狀態(tài)下的受力情況，得出管道在超載情況下的變形及應(yīng)力分布規(guī)律；黃俊杰［16］通過ANAYS創(chuàng)立數(shù)值仿真模型，基于其內(nèi)部各部分間的連接關(guān)系，分析不同工況下PCCP-E內(nèi)外層混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼絲以及鋼筒的應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律。

廣州市西江引水工程為廣州中心城區(qū)提供重要水源，佛山南海段和三水段管材主要為PCCP 管，因廣佛肇高速公路建設(shè)的原因，需對廣州市西江引水工程中的原水輸水管進行局部改線，管道拆除過程中可能導(dǎo)致輸水管產(chǎn)生較大變形的復(fù)雜工況，為了避免出現(xiàn)爆管現(xiàn)象，提前進行大量的研究和準(zhǔn)確的預(yù)測很有必要。本文依托廣州市西江引水工程（佛山三水、南海段）與廣佛肇高速公路建設(shè)相涉段PCCP 輸水管管線改遷工程，利用ABAQUS 有限元軟件建立三維精細有限元模型，分析單管拆除施工過程中，對相鄰管道接駁口的受力及變形影響，對大型管線供水、排水管道建設(shè)具有參考意義。

1 工程背景概況

在拆除原輸水管道的過程中，需要注意的是需要改遷的管段上、下部勢必需要從被保留的PCCP 管拔出拔出改遷管段的過程一定會對其保留的輸水管產(chǎn)生一定的拉力，而拉力將直接作用在被保留輸水管段的接駁口處，極有可能因操作或方法不當(dāng)而破壞管道或接駁口。

分析既有PCCP 管的復(fù)合材料的性能，如核心混凝土、鋼管筒、橡膠圈、承插口鋼材等；研究既有管道接駁口的結(jié)構(gòu)細節(jié)；結(jié)合既有PCCP 管與周圍土體和地基的相互作用關(guān)系，模擬輸水管拆除施工過程中，軸向力作用對其上游和下游PCCP 管道的影響關(guān)系。通過建立PCCP 輸水管道、地基和周圍土體共同作用的有限元模型，預(yù)判沿PCCP 管道進一步向相鄰管段傳遞軸向力的規(guī)律和新舊管道接駁口的連接情況。

2 數(shù)值分析模型

2.1 PCCP管接頭模型

利用ABAQUS 有限元軟件建立PCCP 管接頭模型及承插口的幾何模型。PCCP 管的材料包括鋼管、管芯混凝土以及其外包預(yù)應(yīng)力鋼絲，其中接駁口處放置2 道止水橡膠圈。PCCP 管接頭承插口幾何模型如圖1所示。

圖1 輸水管接駁口幾何模型Fig.1 Geometric Model of Pccp Socket

2.2 基本假定

建立仿真模擬模型的基本假定如下：①混凝土、鋼圓筒和預(yù)應(yīng)力鋼絞線的本構(gòu)關(guān)系采用線性彈性模型；②橡膠圈的本構(gòu)關(guān)系采用超彈性本構(gòu)模型，其非線性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用Mooney-Rivlin 模型，在有限元軟件中用2 個材料參數(shù)進行表征，相應(yīng)的應(yīng)變能函數(shù)可表示為：

其中，應(yīng)變不變量用I1、I2表示；橡膠的材料常數(shù)用C10、C01表示，根據(jù)橡膠材料的實際測試數(shù)據(jù)，其值分別取為1.62 和0.43。有限元模型各材料的模型參數(shù)如表1所示。

表1 有限元模型各材料物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Each Material of the Finite Element Model

2.3 PCCP管線單管拔出對接頭的受力結(jié)果分析

PCCP 管道單管拆除施工過程中，有限元軟件模擬承插口結(jié)構(gòu)應(yīng)力-位移結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 拔管前接駁口結(jié)構(gòu)細節(jié)應(yīng)力、位移云圖Fig.2 Stress and Displacement Nephogram of the Socket Structure Details Before the Pipe Section Removal Project

根據(jù)三維有限元的模擬計算，拔管模型中PCCP管拔管后，其接駁口細節(jié)所受最大拉應(yīng)力及拔管拉力結(jié)果如圖4 所示。PCCP 輸水管及其接頭細節(jié)的應(yīng)力計算結(jié)果如下：預(yù)應(yīng)力鋼絲為917.0 MPa，鋼圓筒為26.7 MPa，核心混凝土為10.0 MPa，插口鋼環(huán)為40.1 MPa，承口鋼環(huán)為14.5 MPa，橡膠圈為2.8 MPa。

圖3 拔管后接駁口結(jié)構(gòu)細節(jié)應(yīng)力、位移云圖Fig.3 Stress and Displacement Nephogram of the Socket Structure Details after the Pipe Section Removal Project

圖4 拔管過程中的拉拔力Fig.4 Pulling Force Required for Extubation

由有限元分析結(jié)果顯示，拔管過程中所產(chǎn)生最大的位移變形及應(yīng)力集中均發(fā)生在承接口處，并且對鄰近管段的擾動也較大。由圖4 可知，拔管所提供的拉拔力最大為1 600 kN。對比PCCP 管復(fù)合材料的容許應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)其預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼管筒、承插口鋼環(huán)及橡膠圈所受的最大應(yīng)力均在允許范圍之內(nèi)，意味著拔管施工過程并不會對承接口及其鄰近管段造成破壞；但核心混凝土所受的最大應(yīng)力為10.0 MPa，該值大大超過此材料的承受能力。因此，急需進一步分析其核心混凝土的應(yīng)力分布情況，得出的結(jié)論如圖5所示。由圖5可知，拔管過程中，承插口變截面的根部出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況（紅圈標(biāo)出），但最大主應(yīng)力覆蓋范圍較小，且除該部位外，核心混凝土的最大拉應(yīng)力小于1 MPa，符合材料要求。因此，拔管施工過程中所需拉拔力為1 600 kN；施工過程中應(yīng)避免由于偏心力的出現(xiàn)，導(dǎo)致應(yīng)力集中處的應(yīng)力過大，直接導(dǎo)致核心混凝土的破壞。

圖5 拔管時核心混凝土應(yīng)力分布Fig.5 Stress Distribution of Core Concrete

2.4 PCCP輸水管與鋼管焊接處的焊縫受力分析

新鋼管與既有PCCP 管接駁處采用焊接方式。原PCCP 管有多種基礎(chǔ)形式，而新鋼管統(tǒng)一采用樁基礎(chǔ)，在后續(xù)供水過程中，倘若新鋼管鄰近的既有PCCP 輸水管原有地基是非樁基礎(chǔ)，勢必會發(fā)生不均勻沉降。如若產(chǎn)生過大的不均勻沉降，會造成接駁口有較高的焊縫應(yīng)力從而破環(huán)接駁口，危及廣州市絕大部分市民的供水安全，直接上升至國家公共安全事件。因此，本節(jié)利用三維有限元軟件仿真模擬不同工況下，原輸水管與新鋼管連接處焊縫的受力變形規(guī)律。

PCCP 管插口、承口與鋼管接頭幾何模型如圖6、圖7所示。

圖6 PCCP管插口與鋼管焊接幾何模型Fig.6 The Welding Geometry Model of PCCP Socket and Steel Pipe

圖7 PCCP管承口與鋼管焊接幾何模型Fig.7 The Welding Geometry Model of PCCP Socket and Steel Pipe

根據(jù)有限元軟件分析焊縫的應(yīng)力-應(yīng)變結(jié)果，如圖8～圖9所示。

由圖8～圖9 可知，新鋼管與原PCCP 輸水管插口接駁處焊接產(chǎn)生的最大應(yīng)力為236 MPa，最大塑性變形為2.1%；新鋼管與原PCCP 輸水管承口接駁處焊接產(chǎn)生的最大應(yīng)力為252 MPa，最大塑性應(yīng)變?yōu)?.3%；新鋼管與原PCCP 輸水管焊接時承口的焊縫應(yīng)力約是插口的107%，塑性應(yīng)變比插口處小0.8%。因此，焊接時接頭鋼板需要承受最大為252 MPa 的應(yīng)力時，極有可能會產(chǎn)生過大的溫度應(yīng)力而使鋼板屈服，需要采取合理的施工措施，促使溫度盡快擴散。

2.5 相鄰PCCP 輸水管沉降差對接頭受力變形結(jié)果分析

根據(jù)有限元軟件分析PCCP 管在8.1 mm 位移差下的應(yīng)力-位移結(jié)果如圖10～圖11 所示：預(yù)應(yīng)力鋼絞絲應(yīng)力為976 MPa，鋼圓筒應(yīng)力為236 MPa，承口鋼環(huán)焊縫應(yīng)力為245 MPa，承口鋼環(huán)位移為7.6 mm。

圖8 插口處內(nèi)外焊縫剖視面應(yīng)力及應(yīng)變Fig.8 Stress and Strain of the Cross-sectional View of the Inner and Outer Welds at the Socket

圖9 承口處內(nèi)外焊縫剖視面應(yīng)力及應(yīng)變Fig.9 Stress and Strain of the Cross-sectional View of the Inner and Outer Welds at the Socket

由以上結(jié)果可知，PCCP 管在8.1 mm 位移差的情況下，內(nèi)部鋼圓筒最大應(yīng)力為236 MPa，承口鋼環(huán)焊縫最大應(yīng)力為245 MPa，該結(jié)果與無位移差的鋼環(huán)應(yīng)力相近，但整個接駁口幾乎都是塑性區(qū)。考慮到接頭鋼板因產(chǎn)生過大的塑性區(qū)而失效，因此，施工過程中應(yīng)加強接駁口的強度和剛度。

3 結(jié)論

本文重點分析了PCCP 輸水管拆管過程中對接駁口各部分的受力與變形的影響，可為西江引水管線改遷工程的前期施工設(shè)計提供參考建議，避免拆管施工過程中管線各部分遭到不可逆的破壞，同時可為大型供水、排水管道建設(shè)提供參考依據(jù)。

圖10 PCCP輸水管位移云圖Fig.10 Displacement Diagram of PCCP

圖11 PCCP輸水管接駁口應(yīng)力云圖Fig.11 Stress Diagram of PCCP Pipe Joint

⑴拔管施工過程中所需拉拔力為1 600 kN；由于應(yīng)力集中，PCCP 管插口變截面處根部出現(xiàn)最大主應(yīng)力10 MPa，其分布范圍?。话喂軙r需采取合理的施工方案，避免由于偏心力的出現(xiàn)使應(yīng)力集中處的拉應(yīng)力過大，直接破壞核心混凝土。

⑵PCCP 管與新鋼管焊接時，承口處焊縫應(yīng)力約是插口處的107%，塑性應(yīng)變比插口處小0.8%；需要采取合理的施工措施，促使溫度盡快擴散，避免焊接時產(chǎn)生的高溫而使鋼板屈服。

⑶鋼環(huán)應(yīng)力在考慮沉降差與不考慮沉降差條件下幾乎相等，但整個接駁口幾乎都是單塑性區(qū)域，因此，需要采取合理的施工措施加強接駁口的強度與剛度，避免接頭鋼板產(chǎn)生過大的塑性區(qū)而失效。