連接構(gòu)造對混凝土管節(jié)接頭受力特性影響研究

鐘祖良，李 洋，刁小軍

（1.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，400045，重慶；2.庫區(qū)環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害防治國家地方聯(lián)合工程研究中心（重慶），400045，重慶）

管節(jié)接頭是頂管工程中連接前后管節(jié)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，由相鄰管節(jié)的端部、襯墊、套環(huán)和密封橡膠圈等部分組成。相較于管節(jié)本身，接頭處是管道的薄弱部位，頂管工程中的絕大多數(shù)破壞都是發(fā)生在接頭位置。頂管接頭的受力特性關(guān)乎頂管的結(jié)構(gòu)安全和正常使用，為了探究襯墊和套環(huán)的材料參數(shù)及尺寸對頂管接頭受力特性的影響，基于重慶市觀景口水利樞紐2號無壓隧洞頂管工程建立了數(shù)值分析模型，根據(jù)襯墊和套環(huán)的厚度、泊松比、彈性模量的不同設(shè)置了多種工況，獲得接頭承口、插口以及套環(huán)軸向應(yīng)力在不同襯墊及套環(huán)參數(shù)下的變化規(guī)律，基于分析結(jié)果為頂管接頭襯墊和套環(huán)的材料選擇和尺寸設(shè)置提出設(shè)計建議。

一、工程概況

觀景口水利樞紐2號無壓隧洞為里程樁號K3+385～K4+526，隧洞埋深變化范圍4～210 m。2號隧洞穿越的巖層主要是砂巖、泥質(zhì)砂巖、泥巖和部分石灰?guī)r，沿線存在巖溶、斷層及破碎帶等不良地質(zhì)條件。

本段隧洞采用硬巖頂管施工方法，使用定制的泥水平衡型頂管機。頂管機最大開挖直徑3.22 m，主頂系統(tǒng)可以實現(xiàn)2100t的極限頂力，中繼間可實現(xiàn)1700t的極限頂力。該工程配套的頂管管節(jié)內(nèi)徑2.65 m，外徑3.17 m，管節(jié)厚度0.26 m，單管管長2.5 m。

二、數(shù)值模型的建立

1.模型尺寸與材料參數(shù)

本頂管工程采用的頂管接頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造如圖1所示。單個頂管接頭結(jié)構(gòu)主要由前一根管節(jié)尾部的承口、后一根管節(jié)前部的插口、管節(jié)間的柔性襯墊、錨固于管節(jié)承口的套環(huán)以及黏結(jié)于插口凹槽處的兩道止水密封橡膠圈組成。襯墊為多層膠合板材料，厚度為20 mm，每個接頭環(huán)面上布設(shè)6塊首尾相接的墊片。套環(huán)采用鋼材制造，長度為332 mm，厚度為12 mm。

圖1 頂管管節(jié)接口示意

數(shù)值分析采用ABAQUS軟件建模，由于管節(jié)接頭構(gòu)造復(fù)雜，對建立的模型進行了必要簡化：

①對于插口端楔形橡膠圈和承口端遇水膨脹橡膠圈，由于其在無壓管道中壓縮率很小，對接頭受力的影響不大，因此不對橡膠圈進行建模。

②頂管接頭包含前后兩根管節(jié)的端部，數(shù)值模型按兩根完整管節(jié)建立，管節(jié)按照上述實際尺寸進行1∶1建模，材料參數(shù)按C50混凝土取值。

③數(shù)值模型研究的重點是襯墊及套環(huán)的厚度、泊松比、彈性模量對管節(jié)接頭受力特性的影響，因此襯墊和套環(huán)的建模參考實際構(gòu)件的尺寸和材料參數(shù)設(shè)置了多種工況。

2.模型荷載及接觸設(shè)置

頂管在頂進過程中管節(jié)外壁受到周圍巖土體的作用力，主要包括管周土壓力和側(cè)壁摩阻力。常見的土壓力計算理論有土柱法、太沙基理論、馬斯頓理論、普氏理論公式?？紤]到現(xiàn)場管道大多處于深埋且圍巖體較為破碎，可采用普氏理論計算土壓力。根據(jù)工程現(xiàn)場情況，巖石重度取值為25.6 kN/m3，強度取值為25 MPa，內(nèi)摩擦角取值為30°，黏聚力取值為0.5 MPa。根據(jù)普氏理論計算得塌落拱高度為1.366 m，豎向荷載計算結(jié)果為34.97 kPa，側(cè)壓力系數(shù)取0.5，土體側(cè)壓力頂部為17.5 kPa，地基反力為豎向荷載+自重。

考慮到管節(jié)在頂進過程中會受到摩阻力，其值對于確定管節(jié)受力狀態(tài)具有實際意義。根據(jù)已有的工程實踐經(jīng)驗，在注漿的情況下管節(jié)與巖土體的摩擦系數(shù)取值通常在0.07～0.1范圍內(nèi)，可取近似值為0.1。

鋼套環(huán)與管節(jié)承口端的連接方式是焊接，故模型中套環(huán)與承口間的連接方式設(shè)置為剛性連接。襯墊緊密貼合在管節(jié)承口端，兩者之間同樣設(shè)為剛性連接。在實際頂進時，后一根管節(jié)向前頂進，其前端插口與前一根管節(jié)的承口端上的襯墊和套環(huán)直接接觸，在數(shù)值模型中將插口與襯墊、套環(huán)之間設(shè)置接觸面，接觸方式為硬接觸。在模擬頂管頂進過程時，對前一根管節(jié)的端部采用固定約束，對后一根管節(jié)端部施加頂力，采用耦合約束的方式施加荷載。

3.模型的建立

有限元分析模型將管道、承插口、襯墊、套環(huán)進行網(wǎng)格劃分，模型節(jié)點數(shù)為30498個，單元總數(shù)為21432個。

三、襯墊對混凝土頂管接頭受力影響分析

1.襯墊厚度的影響

為了探究襯墊厚度對頂管接頭受力特性的影響規(guī)律，根據(jù)襯墊厚度的不同設(shè)計了7種工況。襯墊厚度分別取0、4mm、8 mm、12mm、16 mm、20mm和24 mm，襯墊的泊松比和彈性模量保持不變，泊松比為0.25，彈性模量為1 GPa。對管節(jié)端部施加1 500 t軸向頂力，獲得頂管接頭處的受力情況，提取出7種工況下接頭承口、插口以及套環(huán)的最大軸向應(yīng)力，并繪制接頭軸向應(yīng)力隨不同襯墊厚度變化的規(guī)律曲線。

根據(jù)規(guī)律曲線分析可知，當(dāng)襯墊厚度從0增大到24 mm時，混凝土頂管承口、插口以及套環(huán)最大軸向應(yīng)力分別減少了16.3%、19.2%和27.8%。襯墊厚度的增加顯著改善了混凝土頂管接頭的受力狀況。特別是襯墊厚度在0～16 mm范圍內(nèi)增大時，承口、插口以及套環(huán)軸向應(yīng)力減小最為迅速。但當(dāng)襯墊厚度超過16 mm后，隨著襯墊厚度的增加，接頭結(jié)構(gòu)軸向應(yīng)力的減小幅度不大。另外，襯墊厚度對套環(huán)的軸向受力影響明顯大于對承插口的影響。根據(jù)上述分析得出的承插口以及套環(huán)隨襯墊厚度變化規(guī)律，對于類似工況下的頂管接頭，建議襯墊厚度取值范圍為10～16 mm。

2.襯墊泊松比的影響

為了探究襯墊泊松比對頂管接頭受力特性的影響，根據(jù)襯墊泊松比的不同設(shè)計了8種工況，分別取襯墊泊松比為0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4，襯墊的厚度為12 mm和彈性模量為1GPa。根據(jù)計算結(jié)果繪制接頭軸向應(yīng)力隨襯墊泊松比變化的規(guī)律曲線。

根據(jù)規(guī)律曲線分析可知，當(dāng)泊松比在0.05～0.4范圍內(nèi)時，混凝土頂管承口、插口以及套環(huán)最大軸向壓應(yīng)力隨著泊松比增大分別增加了12.1%、14.7%和25.4%。較小的泊松比對改善混凝土頂管接頭受力情況有利，且襯墊泊松比對鋼套環(huán)軸向受力的影響明顯大于對承插口的影響。當(dāng)泊松比在0.05～0.3范圍內(nèi)增大時，承口、插口以及套環(huán)軸向應(yīng)力增大迅速，承口增加了11.1%，插口增加了12.9%，鋼套環(huán)增加了21.8%；當(dāng)襯墊泊松比超過0.3時，隨著襯墊泊松比增加，承插口以及鋼套環(huán)軸向應(yīng)力增大變緩。

3.襯墊彈性模量的影響

為了探究襯墊彈性模量對頂管接頭受力特性的影響，根據(jù)襯墊彈性模量的不同設(shè)計了8種工況，分別取襯墊彈性模量為0.5GPa、1GPa、1.5 GPa、2 GPa、2.5 GPa、3 GPa、3.5 GPa、4 GPa，襯墊的厚度為12mm和泊松比為0.25。根據(jù)計算結(jié)果繪制接頭軸向應(yīng)力隨襯墊彈性模量變化的規(guī)律曲線。

根據(jù)規(guī)律曲線分析可知，襯墊彈性模量在0.5～3 GPa范圍內(nèi)增大時，混凝土頂管承口、插口、套環(huán)軸向應(yīng)力分別增加了16.1%、17.2%和28.5%。當(dāng)超過3 GPa時，隨著襯墊彈性模量增加，承插口以及套環(huán)軸向應(yīng)力增大變緩，且在襯墊泊松比對套環(huán)的軸向受力影響大于對承插口的影響。

四、套環(huán)對混凝土頂管接頭受力影響分析

1.套環(huán)厚度的影響

為了探究套環(huán)厚度對頂管接頭受力特性的影響，根據(jù)套環(huán)厚度的不同設(shè)計了7種工況，套環(huán)厚度分別取3mm、6mm、9mm、12mm、15mm、18mm和21 mm，套環(huán)的泊松比和彈性模量分別取0.2和210 GPa。根據(jù)計算結(jié)果繪制接頭軸向應(yīng)力隨套環(huán)厚度變化的規(guī)律曲線。

根據(jù)規(guī)律曲線分析可以看出，套環(huán)厚度從0增加到24 mm，混凝土頂管承口、插口以及套環(huán)最大軸向應(yīng)力分別減少了9.4%、11.5%和21.7%，在0～15 mm范圍內(nèi)減少迅速，且套環(huán)厚度對套環(huán)的軸向受力影響明顯大于對承插口的影響，考慮到實際施工，建議套環(huán)厚度取10～15 mm。

2.套環(huán)泊松比的影響

根據(jù)套環(huán)泊松比的不同設(shè)計了7種工況，分別取襯墊泊松比為0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35和0.4，套環(huán)的厚度為12mm和彈性模量為210GPa。根據(jù)計算結(jié)果繪制接頭軸向應(yīng)力隨套環(huán)泊松比變化的規(guī)律曲線。

根據(jù)規(guī)律曲線可知，混凝土頂管承插口、套環(huán)軸向應(yīng)力大小隨著泊松比增大而減小。套環(huán)泊松比在0.05～0.3范圍內(nèi)增大時，承口、插口以及套環(huán)軸向應(yīng)力減小迅速，分別減小了5.9%、8.5%和25.1%，當(dāng)泊松比超過0.3后，其改善作用明顯減弱，且套環(huán)泊松比的改變對套環(huán)受力情況的影響遠(yuǎn)大于承口和插口。

3.套環(huán)彈性模量的影響

根據(jù)不同的套環(huán)彈性模量設(shè)計了7種工況，分別取套環(huán)彈性模量為200 GPa、205 GPa、210 GPa、215 GPa、220 GPa、225 GPa和230 GPa，套環(huán)的厚度為12 mm和泊松比為0.25。根據(jù)計算結(jié)果繪制接頭軸向應(yīng)力隨套環(huán)彈性模量變化的規(guī)律曲線。

根據(jù)規(guī)律曲線可知，混凝土頂管承口、插口、套環(huán)軸向應(yīng)力大小隨著混凝土頂管套環(huán)彈性模量的增大，最后分別增加了8.7%、12.1%和28.4%。在200～220 GPa范圍內(nèi)，承口、插口以及套環(huán)軸向應(yīng)力增大迅速，分別增加了7.4%、10.9%和25.3%，當(dāng)襯墊彈性模量超過220 GPa時，隨著套環(huán)彈性模量增加，套環(huán)軸向應(yīng)力增大明顯變緩。

五、結(jié) 論

依托觀景口水利樞紐工程，采用ABAQUS有限元軟件對混凝土頂管接頭進行數(shù)值建模分析，研究了襯墊和套環(huán)的厚度、泊松比及彈性模量等尺寸和材料參數(shù)對頂管接頭受力特性的影響，得出以下結(jié)論：

①在0～16 mm范圍內(nèi)，襯墊厚度的增加可有效降低接頭最大軸向應(yīng)力。在襯墊厚度超過16 mm后，襯墊厚度的增加對改善接頭受力狀況的作用開始減弱。為充分發(fā)揮襯墊緩沖作用，建議工程中襯墊厚度不宜小于16 mm。

②在襯墊泊松比0.05～0.4、彈性模量0.5～4 GPa范圍內(nèi)，管節(jié)接頭最大軸向應(yīng)力隨襯墊材料泊松比和彈性模量的增加而顯著增大，應(yīng)盡量避免選擇泊松比和彈性模量過大的材料制作襯墊。

③在0～15 mm范圍內(nèi)，套環(huán)厚度的增加可以顯著改善接頭特別是套環(huán)自身的受力情況，建議套環(huán)厚度的取值范圍為10～15 mm。

④套環(huán)泊松比的增大可在一定程度上改善套環(huán)受力情況，但對承口和插口受力的影響相對較小。在相同的受力情況下，套環(huán)彈性模量越大，套環(huán)的變形量越小，更易發(fā)生應(yīng)力集中。