承插式球墨鑄鐵管道柔性接口力學(xué)性能影響的試驗(yàn)研究

蔡志雄

(福建省圍墾建設(shè)工程有限公司，福建 漳州 363100)

為了緩解地震等外部荷載作用對(duì)地下管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的破壞性影響，近年來在地下管網(wǎng)建設(shè)中大量應(yīng)用了承插式球墨鑄鐵柔性接口[1]。在這種接口結(jié)構(gòu)中，橡膠密封圈不僅可以有效保證管道連接的密封性，還具有良好的伸縮性和角變位能力，可以有效吸收地震能，適應(yīng)管道周圍巖土體的不均勻沉降[2]。雖然橡膠圈的造價(jià)相對(duì)較低，一旦失效就造成嚴(yán)重的滲漏，影響管線的整體功能發(fā)揮[3]。因此，針對(duì)球墨鑄鐵管道柔性接口在外部荷載下的力學(xué)性能研究就顯得尤為重要?；诖耍舜窝芯恳蚤L泰縣城鄉(xiāng)供水一體化工程為例，利用模擬試驗(yàn)的方法，探討管徑、初始水壓等因素對(duì)承插式球墨鑄鐵管道柔性接口力學(xué)性能的影響，以期為工程設(shè)計(jì)和建設(shè)提供必要的支持和借鑒。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

此次試驗(yàn)使用的裝置主要由四部分構(gòu)成，分別為固定系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、測試系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[4]。其中，加載系統(tǒng)主要由恒壓水泵和伺服作動(dòng)器構(gòu)成；固定裝置主要包括反力架、反力墻、可升降鋼板以及滾動(dòng)升降支撐等；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集箱以及與之相連接的PC機(jī)。其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括安裝在管道插口部位的受力傳感器、位移計(jì)和水壓表。為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性，在試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)上應(yīng)該著重滿足如下原則：選擇合理的固定裝置，保證試驗(yàn)裝置本身的穩(wěn)固性，為了達(dá)到試驗(yàn)需要的加載條件，采用伺服電液作動(dòng)器；為了保證試驗(yàn)裝置的對(duì)中調(diào)平，在裝置中設(shè)置帶有不同的轉(zhuǎn)接螺孔的可升降板與相應(yīng)的滾動(dòng)升降支撐。整個(gè)裝置采用結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室內(nèi)的反力墻和反力架作為固定裝置。

1.2 試件的制作

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)不可避免其局限性，特別是空間方面的限制，將我國城市供水系統(tǒng)中常用的6 m標(biāo)準(zhǔn)長度T型接口球磨鑄鐵管道按照1∶4的比例進(jìn)行縮小加工，同時(shí)焊接好試驗(yàn)所需要的法拉盤，同時(shí)制作與其相匹配的盲板。所有的試件均需要符合標(biāo)準(zhǔn)《水及燃?xì)庥们蚰T鐵管、管件和附件》(GB/T 13295—2019)，且同一組試驗(yàn)的膠圈要為同一批次，以保證試驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性[5]。

1.3 安裝與調(diào)整

在反力墻上選擇合適高度安裝好轉(zhuǎn)接盤，然后在轉(zhuǎn)接盤上測量試驗(yàn)加載所需要的折返式伺服電液，并使用水平尺和激光校準(zhǔn)儀進(jìn)行校準(zhǔn)[6]。根據(jù)試驗(yàn)裝置的具體長度，在合適的位置組裝反力架，并將其底部在底面溝槽中固定，在試驗(yàn)管件的下方設(shè)置能夠滾動(dòng)升降的支撐，在承口的末端和反力架之間加裝可升降鋼板，經(jīng)過調(diào)解使鋼板中心、管件中心、傳感器中心以及作動(dòng)器中心四點(diǎn)在一條直線上，確保關(guān)鍵的軸向受力不存在偏心現(xiàn)象，以保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

管道柔性結(jié)構(gòu)的安裝工藝，會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成比較顯著的影響，因此在安裝之前首先做好清理工作，然后標(biāo)記好插口的安裝刻度。在橡膠圈安裝中使用肥皂水作為潤滑劑，防止安裝過程中出現(xiàn)磨損、扭曲。

根據(jù)試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和要求，試驗(yàn)裝置中包括4個(gè)位移傳感器和一個(gè)S型力的傳感器。在裝置安裝過程中，在管道接口水平側(cè)安裝兩個(gè)傳感器，以監(jiān)測接口位移特征，在管道的承口末端也安裝兩個(gè)位移傳感器，以作為參考[7]。將S型力的傳感器安裝于作動(dòng)器和插管前段的法蘭盤上，并對(duì)其裸露部分進(jìn)行加厚處理。

1.4 試驗(yàn)方案

由于此次試驗(yàn)主要研究管徑等因素的影響，結(jié)合背景工程的實(shí)際情況，設(shè)置了DN150、DN200和DN300三種不同的管徑。試驗(yàn)中的加載方式選擇為單級(jí)加載的模式，加載速率分別為0.5 mm/s、1.0 mm/s和2.5 mm/s。試驗(yàn)中考慮不同水壓的影響，設(shè)計(jì)了無水、初始水壓0.2 MPa和初始水壓0.5 MPa三種不同的運(yùn)用工況。通過上述參數(shù)的不同組合的試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理和分析，獲取管徑大小對(duì)承插式球墨鑄鐵管道柔性接口力學(xué)性能影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 無水工況

對(duì)管道內(nèi)無水工況下的不同管徑的管道試件在不同加載速率下進(jìn)行試驗(yàn)，在試驗(yàn)結(jié)果中提取出管道接口部位的軸向峰值拉力，結(jié)果如表1所示。由表中的計(jì)算結(jié)果可知，在管徑相同的條件下，管道接口部位的軸向峰值拉力隨著加載速率的增加而增大，以DN150管徑為例，當(dāng)加載速率為0.5 mm/s時(shí)，其軸向峰值拉力值10.85 kN，當(dāng)加載速率為1.0 mm/s時(shí)，其軸向峰值拉力值13.29 kN，與加載速率為0.5 mm/s時(shí)增加了約22.49%；當(dāng)加載速率為2.0 mm/s時(shí)，其軸向峰值拉力值16.21 kN，與加載速率為0.5 mm/s時(shí)增加了約49.40%。從試驗(yàn)結(jié)果來看，管徑對(duì)軸向峰值拉力也存在十分明顯的影響。在加載速率相同的情況下，管徑越大管道接口部位的軸向峰值拉力也就越大。以2.5 mm/s加載速率的試驗(yàn)結(jié)果為例，DN150的軸向峰值拉力為16.21 kN，DN200的軸向峰值拉力為24.36 kN，與DN150相比增加了約50.28%，DN300的軸向峰值拉力為32.19 kN，與DN150相比增加了約98.58%。究其原因，主要是管徑越大密封膠圈的周長就越長，接觸面積也越大，因此軸向峰值拉力也顯著增大。

表1 無水工況下軸向峰值拉力試驗(yàn)結(jié)果

2.2 初始水壓0.2 MPa

為了了解管道有壓運(yùn)行工況下管徑對(duì)管道接口部位力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)中保持管內(nèi)水壓為0.2 MPa不變，對(duì)不同加載速率、不同管徑的組合工況進(jìn)行試驗(yàn)，獲得的軸向峰值拉力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表2所示。由表中的結(jié)果可以看出，在初始水壓0.2 MPa的條件下，管道接口部位的軸向峰值拉力隨著管徑和加載速率的增加而增加，這一變化規(guī)律與無水工況基本類似。但是，管道接口部位的軸向峰值拉力值的具體變化特征也存在一些差異。首先，在初始水壓0.2 MPa的條件下，相同管徑、相同加載速率的軸向峰值拉力與無水工況明顯偏小。從不同管徑和加載速率的影響來看，雖然軸向峰值拉力隨著管徑和加載速率的增加而增加，但是增加的幅度明顯減小。仍以2.5 mm/s 加載速率為例，DN200和DN300的軸向峰值拉力分別為14.56 kN和17.67 kN，與DN150的軸向峰值拉力相比，分別增加了約28.51%和55.96%，與無水工況下的50.28%和98.58%的增幅相比明顯偏小。由此可見，管徑大小雖然對(duì)管道接口軸向峰值拉力存在十分顯著的影響，但是這種影響在有水運(yùn)行工況下會(huì)有所減弱。

表2 初始水壓0.2 MPa軸向峰值拉力試驗(yàn)結(jié)果

2.3 初始水壓0.5 MPa

為了進(jìn)一步了解管道有壓運(yùn)行工況下管徑對(duì)管道接口部位力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)中保持管內(nèi)水壓為0.5 MPa不變，對(duì)不同加載速率、不同管徑的組合工況進(jìn)行試驗(yàn)，獲得的軸向峰值拉力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表3所示。由表中的結(jié)果可以看出，在初始水壓0.5 MPa的條件下，管道接口部位的軸向峰值拉力隨著管徑和加載速率的增加而增加，這一變化規(guī)律與無水工況和管內(nèi)水壓0.2 MPa 工況基本一致。另一方面，在初始水壓0.5 MPa 的條件下，相同管徑、相同加載速率的軸向峰值拉力較初始水壓0.2 MPa工況又有進(jìn)一步的減小。從不同管徑和加載速率的影響來看，雖然軸向峰值拉力隨著管徑和加載速率的增加而增加，但是增加的幅度也有進(jìn)一步的減小。從2.5 mm/s 加載速率為例，DN200和DN300的軸向峰值拉力分別為10.43 kN和12.34 kN，與DN150的軸向峰值拉力相比，分別增加了約18.79%和40.54%，其增加幅度與無水工況和初始水壓0.2 MPa工況相比有明顯的減小。這一試驗(yàn)結(jié)果也進(jìn)一步驗(yàn)證了上節(jié)獲得的結(jié)論，管徑大小雖然對(duì)管道接口軸向峰值拉力存在十分顯著的影響，但是這種影響會(huì)隨著管內(nèi)初始水壓的增大而趨于減弱。

表3 初始水壓0.5 MPa軸向峰值拉力試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

此次研究以具體工程為依托，通過室內(nèi)試驗(yàn)的方式，研究了管徑對(duì)承插式球墨鑄鐵管道柔性接口力學(xué)性能影響，并獲得如下主要結(jié)論：

(1)管徑、加載速率和初始水壓均對(duì)承插式球墨鑄鐵管道柔性接口軸向峰值拉力存在比較明顯的影響。

(2)管道接口部位的軸向峰值拉力隨著管徑和加載速率的增加而增加，隨著管內(nèi)初始水壓的增大而減小。

(3)管徑大小雖然對(duì)管道接口軸向峰值拉力存在十分顯著的影響，但是這種影響會(huì)隨著管內(nèi)初始水壓的增大而趨于減弱。