水電水利工程壓力鋼管灌漿孔應(yīng)力集中敏感性因素研究

趙 路，劉 園，謝 詣

(1.水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410014；2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014)

0 引 言

對(duì)于水電水利工程地下埋藏式壓力鋼管，為減小圍巖、混凝土和鋼管之間的縫隙值，提高圍巖承載力，需對(duì)鋼管進(jìn)行回填灌漿、接觸灌漿和固結(jié)灌漿；為保障灌漿質(zhì)量，非高強(qiáng)鋼通常采用鋼管管壁開(kāi)孔灌漿，灌漿后再將灌漿孔嚴(yán)密封堵。由于灌漿孔封堵焊系封閉連續(xù)焊縫，焊接時(shí)約束度比較大，灌漿孔焊接裂紋是地下埋管施工中比較常見(jiàn)的焊接缺陷[1]。此外，灌漿孔內(nèi)不易清除的浮銹、泥漿、油漆、油污以及圍巖滲水的存在，都會(huì)對(duì)焊接接頭內(nèi)的擴(kuò)散氫含量增加，從而為產(chǎn)生氫致裂紋埋下隱患，工程運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)鋼管漏水現(xiàn)象。

灌漿孔開(kāi)孔后需要補(bǔ)強(qiáng)，在管外焊接補(bǔ)強(qiáng)板，堵頭大多采用熔化焊封堵，堵頭坡口深度過(guò)小，則孔口應(yīng)力集中明顯，孔邊應(yīng)力可能會(huì)超過(guò)鋼管的抗力限值，堵頭坡口深度過(guò)大，則焊接時(shí)收縮應(yīng)力增大易產(chǎn)生裂紋，因此有必要對(duì)灌漿孔堵頭的補(bǔ)強(qiáng)板厚度、坡口深度進(jìn)行研究。

1 灌漿孔補(bǔ)強(qiáng)封堵設(shè)計(jì)

地下埋管開(kāi)孔灌漿，在鋼襯上預(yù)先開(kāi)有直徑50～100 mm的孔口，穿過(guò)這些孔口，垂直于管殼鉆孔，并灌注水泥砂漿，灌漿工作完成后，孔口用不漏水的堵頭封堵，常見(jiàn)的幾種堵頭設(shè)計(jì)形式如圖1所示。

美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)推薦采用圖1a的形式[3]，將帶有螺紋的補(bǔ)強(qiáng)板焊在鋼管外側(cè)，采用5.08 cm直徑的直螺栓鋼塞進(jìn)行封堵，中間設(shè)“O”形密封止水圈，鋼襯內(nèi)側(cè)灌漿孔位置焊有韌性、抗銹蝕、抗沖刷的不銹鋼板(0.32 cm厚，旨在最大限度減小凸入水道)。

前蘇聯(lián)和中國(guó)廣泛采用的是螺紋堵頭，常見(jiàn)形式如圖1c[4]所示，與美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)推薦形式最大的區(qū)別在于堵頭塞內(nèi)側(cè)開(kāi)高度為t的坡口，直接與壓力鋼管焊接，代替不銹鋼板。為保護(hù)焊接區(qū)，不使水泥砂漿和地下水進(jìn)入，前蘇聯(lián)設(shè)計(jì)了一套專門的施工裝置[5](如圖1b所示)，在鋼管上增加一個(gè)套管，灌漿之前套管外端有蓋板保護(hù)，防止混凝土進(jìn)入套管內(nèi)，灌漿時(shí)用鉆機(jī)將蓋板鑿穿，灌漿結(jié)束后，在套管中放入栓塞，栓塞可阻止地下水深入焊接區(qū)域，最后將塞子與鋼管全部厚度焊透。采用薄的塞子，全厚度焊接能保證最大的抗裂穩(wěn)定性。

圖1 灌漿孔封堵示意

美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)推薦的堵頭設(shè)計(jì)形式在內(nèi)壓作用下，不銹鋼板受壓，起到止水、封堵作用；在外壓作用下，螺紋和密封止水圈發(fā)揮作用，若外水壓力較大，止水圈可靠性降低，則外水壓力可能會(huì)直接作用在不銹鋼板上，0.32 cm厚鋼板的角焊縫強(qiáng)度需要復(fù)核，避免不銹鋼板脫落。前蘇聯(lián)設(shè)計(jì)的施工裝置，采用薄的塞子，與鋼管全部焊透，以保證最大的抗裂穩(wěn)定性，與中國(guó)常用的堵頭設(shè)計(jì)方案相近。

我國(guó)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范中要求全部灌漿孔均應(yīng)嚴(yán)密封堵[6-7]，但對(duì)于堵頭設(shè)計(jì)原則和型式?jīng)]有明確規(guī)定。制作安裝及驗(yàn)收規(guī)范中建議坡口深度宜為7～8 mm[8]，系考慮用直徑為φ3.2～φ4 mm的焊條焊 2～3層，以減小焊接時(shí)的收縮應(yīng)力產(chǎn)生裂紋。本文重點(diǎn)對(duì)我國(guó)常用設(shè)計(jì)方案的補(bǔ)強(qiáng)板厚度及坡口深度H進(jìn)行研究。

2 堵頭坡口深度研究

2.1 工程實(shí)例

某水電站壓力鋼管為2級(jí)建筑物，地下埋管采用聯(lián)合承載設(shè)計(jì)，鋼管半徑3.2 m，鋼管承擔(dān)設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力為2.15 MPa，管壁采用Q345R，管壁厚度36 mm。采用開(kāi)孔灌漿方法，固結(jié)灌漿孔兼作回填、接觸灌漿孔，管頂120°和管底90°范圍分別進(jìn)行回填、接觸灌漿，回填、接觸灌漿壓力分別為0.3 MPa和0.2 MPa。壓力鋼管灌漿孔有φ76 mm和φ96 mm兩種規(guī)格，灌漿完畢后孔口用螺栓封堵，堵頭上部設(shè)計(jì)成錐臺(tái)結(jié)構(gòu)，堵頭與管壁焊縫坡口形式為單邊陡邊坡口。補(bǔ)強(qiáng)板采用Q345D級(jí)鋼，補(bǔ)強(qiáng)板直徑為220 mm。

2.2 計(jì)算模型及邊界條件

計(jì)算模型：孔口尺寸遠(yuǎn)小于鋼管，計(jì)算模型取0.5 m×0.5 m的正方形，孔口尺寸φ96 mm，灌漿孔封堵考慮封堵板，尺寸與灌漿孔孔口尺寸一致，補(bǔ)強(qiáng)板外徑φ220 mm。鋼板采用4節(jié)點(diǎn)殼單元模擬，鋼材為線彈性模型。計(jì)算模型總節(jié)點(diǎn)數(shù)為3 233個(gè)，總單元數(shù)為3 200個(gè)，計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型

模型坐標(biāo)系：模型為平面模型，采用笛卡兒直角坐標(biāo)系，其整體坐標(biāo)系的X軸為水平向右為正，Y軸沿水平向上為正，坐標(biāo)原點(diǎn)位于鋼板的中心位置。

模型邊界條件：計(jì)算模型左右兩側(cè)施加線荷載p=2.15 MPa×3.2 m，模擬鋼管管壁的環(huán)向拉力，施加荷載的兩端不加約束，另外兩側(cè)施加法向位移約束，模擬管道順?biāo)鬏S線方向約束。

補(bǔ)強(qiáng)板與鋼板四周為周邊焊，通過(guò)補(bǔ)強(qiáng)板外緣與鋼板共節(jié)點(diǎn)模擬；灌漿孔口與鋼板采用淺焊，通過(guò)灌漿孔口添加封堵板模擬，封堵板厚度為坡口深度(焊縫高度)。

2.3 計(jì)算方案

根據(jù)NB/T 35056—2015《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，鋼材參數(shù)取值如表1所示。

表1 鋼材材料參數(shù)

為分析補(bǔ)強(qiáng)板厚度、堵頭坡口深度對(duì)孔口應(yīng)力集中的影響，本文對(duì)不同的補(bǔ)強(qiáng)板厚度與堵頭坡口深度組合方案進(jìn)行比較分析。鋼管上開(kāi)灌漿孔且不進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)板補(bǔ)強(qiáng)及灌漿孔封堵為J1方案；鋼管上考慮補(bǔ)強(qiáng)板的補(bǔ)強(qiáng)作用，但不對(duì)灌漿孔封堵為J2方案；J1方案與J2方案作為基礎(chǔ)對(duì)比方案。為分析補(bǔ)強(qiáng)板厚度對(duì)孔口應(yīng)力集中的影響，保持堵頭坡口深度為18 mm不變，設(shè)置6組平行方案(T1方案～T6方案)，補(bǔ)強(qiáng)板厚度分別為6、12、18、24、30、36 mm。為分析堵頭坡口深度對(duì)孔口應(yīng)力集中的影響，保持補(bǔ)強(qiáng)板厚度為36 mm不變，設(shè)置6組平行方案(H1方案～H6方案)，堵頭坡口深度分別為6、12、18、24、30、36 mm。

2.4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)NB/T 35056—2015《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》6.0.10的規(guī)定，鋼管按承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算時(shí)，整體膜應(yīng)力限值為

(1)

式中，γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，1.0；γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)，埋管取1.25，單面對(duì)接焊焊縫系數(shù)取0.9，1.25×0.95/0.9=1.319；ψ為設(shè)計(jì)狀況系數(shù)，取1.0。

根據(jù)式(1)，可得到鋼管整體膜應(yīng)力限值為219.9 MPa。根據(jù)計(jì)算，管壁不開(kāi)孔時(shí)的整體膜應(yīng)力為165.51 MPa，小于鋼管整體膜應(yīng)力限值為219.9 MPa。

表2列出了不同計(jì)算方案下孔口周邊管壁的Mises應(yīng)力和孔口應(yīng)力集中系數(shù)(孔口最大Mises應(yīng)力與整體膜應(yīng)力的比值)，圖3為不同補(bǔ)強(qiáng)板厚度及坡口深度的孔口Mises應(yīng)力曲線。從計(jì)算方案J1可看出，鋼管上開(kāi)灌漿孔不進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)板補(bǔ)強(qiáng)及灌漿孔封堵時(shí)，鋼管Mises應(yīng)力最大，最大值達(dá)502 MPa，孔口應(yīng)力集中系數(shù)3.04(與彈性力學(xué)結(jié)論一致)，遠(yuǎn)超過(guò)了Q345R鋼材的屈服強(qiáng)度(325 MPa)；從計(jì)算方案J2可看出，當(dāng)按常規(guī)設(shè)計(jì)補(bǔ)強(qiáng)板厚度為20 mm，鋼管上考慮補(bǔ)強(qiáng)板的補(bǔ)強(qiáng)作用，不計(jì)灌漿孔封堵的焊接補(bǔ)強(qiáng)作用時(shí)，鋼管Mises應(yīng)力最大值為396 MPa，仍超出了Q345R鋼材的屈服強(qiáng)度。

圖3 孔口最大Mises應(yīng)力分布曲線

表2 各計(jì)算方案鋼管Mises應(yīng)力

2.4.1補(bǔ)強(qiáng)板厚度對(duì)應(yīng)力集中敏感性分析

從圖3a可看出，堵頭坡口深度保持18 mm不變，補(bǔ)強(qiáng)板厚度由6 mm均勻增至36 mm時(shí)，鋼管最大Mises應(yīng)力基本呈線性遞減。

當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)板厚度增加至12 mm，孔口應(yīng)力集中系數(shù)1.329，孔口最大Mises應(yīng)力220 MPa，接近整體膜應(yīng)力限值219.9 MPa；當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)板厚度增加至即18 mm，孔口應(yīng)力集中系數(shù)1.263，孔口最大Mises應(yīng)力209 MPa，低于整體膜應(yīng)力限值，滿足規(guī)范要求。隨著補(bǔ)強(qiáng)板厚度的增加，孔口應(yīng)力集中系數(shù)遞減；當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)板厚度與管壁厚度相同時(shí)，孔口應(yīng)力集中系數(shù)1.105，大于整體膜應(yīng)力，但孔口處應(yīng)力集中削弱效果已不明顯。

2.4.2坡口深度對(duì)應(yīng)力集中敏感性分析

從圖3b可看出，補(bǔ)強(qiáng)板厚度保持36 mm不變，堵頭坡口坡口深度由6 mm均勻增至36 mm時(shí)，鋼管最大Mises應(yīng)力逐漸減小，坡口深度越小，對(duì)孔口應(yīng)力集中影響越明顯。

當(dāng)坡口深度等于6 mm，孔口應(yīng)力集中系數(shù)1.601，孔口最大Mises應(yīng)力265 MPa，超過(guò)整體膜應(yīng)力限值219.9 MPa，小于鋼材的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；當(dāng)坡口深度增加至12 mm，即鋼管壁厚的三分之一時(shí)，孔口應(yīng)力集中系數(shù)1.305，孔口最大Mises應(yīng)力216 MPa，小于整體膜應(yīng)力限值219.9 MPa，滿足規(guī)范要求。隨著坡口深度的增加，孔口應(yīng)力集中系數(shù)繼續(xù)降低，受補(bǔ)強(qiáng)板的作用，當(dāng)坡口深度增加至24 mm，孔口應(yīng)力小于鋼管整體膜應(yīng)力。

GB 50766—2012《制作安裝及驗(yàn)收規(guī)范》建議坡口深度宜為7～8 mm，但此時(shí)孔口應(yīng)力集中現(xiàn)象仍較明顯，不能滿足規(guī)范整體膜應(yīng)力限值要求。考慮到灌漿孔相較于管壁屬于小孔口，影響范圍非常有限，參照NB/T 35056—2015《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》，地下埋藏式岔管的局部膜應(yīng)力、局部膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力的結(jié)構(gòu)系數(shù)γd分別為1.20、1.10，對(duì)應(yīng)的抗力限值為229.06、249.89 MPa。插值計(jì)算坡口深度為8 mm時(shí)，孔口應(yīng)力最大Mises應(yīng)力248.67 MPa，與局部膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力限值基本相當(dāng)。

3 結(jié) 論

(1)對(duì)地下埋管非高強(qiáng)鋼管壁上開(kāi)灌漿孔，在內(nèi)水壓力作用下，鋼管以環(huán)向受拉為主，孔口處應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，通過(guò)合理設(shè)計(jì)補(bǔ)強(qiáng)板并采用堵頭封堵灌漿孔，可緩解孔口應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(2)對(duì)補(bǔ)強(qiáng)板厚度及堵頭坡口深度進(jìn)行敏感性分析可知，應(yīng)力集中程度隨補(bǔ)強(qiáng)板厚度及堵頭坡口深度增加遞減，堵頭坡口深度對(duì)其影響更加敏感?？卓趹?yīng)力集中程度與補(bǔ)強(qiáng)板厚度基本呈線性關(guān)系，與坡口深度呈非線性關(guān)系，坡口深度越小，對(duì)應(yīng)力集中程度越敏感。

(3)為有效緩解孔口應(yīng)力集中現(xiàn)象，建議補(bǔ)強(qiáng)板厚度與管壁厚度相同，考慮施工中焊接收縮應(yīng)力對(duì)產(chǎn)生裂紋的影響，并適當(dāng)增加坡口深度。

(4)對(duì)于制作安裝及驗(yàn)收規(guī)范建議坡口深度，當(dāng)鋼管壁厚較大時(shí)，可能存在孔口應(yīng)力無(wú)法滿足設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)力限值要求的問(wèn)題，堵頭坡口深度宜不小于鋼管壁厚的1/4～1/3。