淺埋金屬圓管在爆破拆除塌落沖擊振動(dòng)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)?

顧 云 孫 飛 陳作彬 劉 迪

核工業(yè)南京建設(shè)集團(tuán)有限公司(江蘇南京，211002)

引言

埋地圓管在各種外力作用下存在著管道破裂、折斷等失效行為，進(jìn)而引發(fā)油氣泄露、火災(zāi)、爆炸等重大安全事故，而塌落沖擊載荷便是極易造成圓管損壞的原因之一。相比爆破振動(dòng)，爆破拆除過(guò)程中的塌落振動(dòng)更加接近建(構(gòu))筑物的自振頻率，更容易造成圓管的損傷失效。因此，塌落沖擊載荷對(duì)埋地圓管的力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)安全性的影響是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

近年來(lái)，科研工作者對(duì)埋地圓管在沖擊載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了深入研究。滕振超等[1]研究了凍土區(qū)埋地圓管在不同條件下受到?jīng)_擊載荷作用時(shí)的應(yīng)變分布情況。白冰潔等[2]分析了不同直徑的金屬圓管的塑性區(qū)域分布、峰值應(yīng)力與變形情況，考察了不同壁厚與埋深條件下管道的沖擊響應(yīng)和破壞形態(tài)。董飛飛等[3]分析了管道壁厚、管徑、埋深和沖擊能量等參數(shù)對(duì)管道受力性能的影響，探討了埋地長(zhǎng)輸管道在沖擊載荷作用下的整體變形特點(diǎn)和應(yīng)變分布規(guī)律。崔毅等[4]研究了巖石塌落沖擊作用下不同因素對(duì)埋地集輸管道所受應(yīng)力的影響規(guī)律。Gresnigt等[5]基于殼理論提出一個(gè)分析模型來(lái)確定沖擊載荷作用下埋地管道的彈塑性變形；同時(shí)，采用有限元方法進(jìn)行了補(bǔ)充驗(yàn)證研究。Mosadegh等[6]以埋地管道在交通載荷作用下的響應(yīng)為背景，通過(guò)數(shù)值擬合得到管道應(yīng)變、應(yīng)力與土壤位移的關(guān)系式。

本文中，主要通過(guò)試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬的手段，深入探究了塌落沖擊載荷作用下，塌落高度、重物質(zhì)量以及管土剛度比三者對(duì)埋地圓管動(dòng)態(tài)應(yīng)變的影響。此外，結(jié)合相似性研究，論證了埋地圓管受塌落沖擊載荷作用的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的模型試驗(yàn)和原型試驗(yàn)結(jié)論相同?？梢詾槿蘸蟊撇鸪氖┕づc防護(hù)以及管道的設(shè)計(jì)、敷設(shè)、維護(hù)等提供理論參考。

1 圓管動(dòng)態(tài)應(yīng)變規(guī)律及影響因素

1.1 試驗(yàn)裝置及方案設(shè)計(jì)

所用試件為Q235鋼制薄壁圓管，壁厚為3 mm，外徑為117 mm，管長(zhǎng)為1.0 m。以Q235鋼質(zhì)落錘作為塌落重物，3種落錘質(zhì)量分別為8、16、32 kg(具體尺寸見(jiàn)表1)。

表1 落錘質(zhì)量與尺寸Tab.1 Mass and size of the drop hammer

埋地圓管塌落沖擊試驗(yàn)裝置布設(shè)如圖1所示。首先，在平整土地上挖出長(zhǎng)0.6 m、寬1.0 m、深0.5 m的3個(gè)深坑，每?jī)蓚€(gè)坑之間間隔0.4 m。為了探究不同土質(zhì)對(duì)塌落沖擊下埋地圓管受力的影響，坑內(nèi)分別裝填密實(shí)泥土、較疏松粗沙及疏松的細(xì)沙。金屬圓管埋深都為12 cm。然后，在深坑兩側(cè)架設(shè)高度10 m的腳手支架，兩個(gè)支架之間架設(shè)平板，在平板中心處懸掛滑輪組，將落錘提升至指定高度后自由下落，模擬塌落沖擊。

圖1 埋地圓管跌落沖擊試驗(yàn)示意圖(單位:m)Fig.1 Schematic diagram of drop impact test of buried pipeline(unit:m)

為了探究塌落沖擊載荷作用下埋地圓管的應(yīng)力、應(yīng)變響應(yīng)，試驗(yàn)鋼管上布設(shè)了BE-120-4BA型通用應(yīng)變花(中航電測(cè)公司)。應(yīng)變花技術(shù)參數(shù):靈敏系數(shù)為2.1，應(yīng)變極限為2%，敏感柵尺寸為3.8 mm×1.7 mm，基底尺寸為11.7 mm×11.7 mm。試驗(yàn)中，每根鋼管上分別沿管道軸向和環(huán)向布設(shè)4片應(yīng)變花，每片應(yīng)變花包含兩個(gè)相互垂直的應(yīng)變電阻，故可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)垂直方向的應(yīng)變。

對(duì)4個(gè)測(cè)點(diǎn)的8個(gè)應(yīng)變測(cè)試進(jìn)行了編號(hào)，具體布設(shè)和編號(hào)方式如圖2所示。

圖2 應(yīng)變花布設(shè)示意圖(單位:cm)Fig.2 Layout diagram of strain rosette(unit:cm)

采用正交試驗(yàn)法研究塌落高度h、重物質(zhì)量m以及土質(zhì)條件(管土剛度比R)對(duì)埋地圓管在塌落沖擊載荷下的影響。每種影響因素選取3個(gè)水平:落錘質(zhì)量選取8、16、32 kg；塌落高度選取4、6、8 m；管土剛度比根據(jù)式(1)確定。

式中:Ep為管材的彈性模量，MPa；r0為圓管的半徑，即圓管中心至管壁中心線的距離，mm；t為圓管的壁厚，mm；Ed為土體介質(zhì)的變形模量，MPa。

計(jì)算得到本次試驗(yàn)中3類土質(zhì)(密實(shí)泥土、較疏松粗沙以及疏松的細(xì)沙)所對(duì)應(yīng)的管土剛度比分別為0.8、1.2、1.6。

然后，根據(jù)3因素3水平正交表設(shè)計(jì)了9種試驗(yàn)工況，具體試驗(yàn)方案如表2所示。需要注意的是，落錘下落雖然會(huì)對(duì)土體造成一定沖擊并砸出淺坑，但每次試驗(yàn)前都會(huì)對(duì)淺坑進(jìn)行不加土復(fù)原，基本可以確保每次試驗(yàn)的土質(zhì)密度一樣，從而保證管土剛度比一致。

表2 淺埋圓管塌落試驗(yàn)方案Tab.2 Collapse test scheme of shallow buried pipeline

1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.2.1 圓管應(yīng)變規(guī)律分析

測(cè)得了圓管上4片應(yīng)變花對(duì)應(yīng)的4個(gè)測(cè)點(diǎn)的軸向和環(huán)向應(yīng)變。根據(jù)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果可以分析埋地圓管在塌落沖擊載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變情況。圖3為9種工況下測(cè)得的應(yīng)變?chǔ)?，?yīng)變曲線編號(hào)和圖2中的應(yīng)變測(cè)試編號(hào)相對(duì)應(yīng)。

圖3 各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變曲線Fig.3 Strain curves of each measuring point

通過(guò)對(duì)圓管應(yīng)變曲線的分析得到，每種工況下，圓管上的應(yīng)變情況整體是一致的，即越靠近圓管的中心，圓管的應(yīng)變?cè)酱?。而且圓管上方迎力面上的測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變1＃~6＃均為負(fù)值，最大處應(yīng)變超過(guò)-1×10-3，表示圓管上該點(diǎn)處受到壓縮，且有塑性應(yīng)變產(chǎn)生。而側(cè)方點(diǎn)所受的應(yīng)變7＃、8?；径紴檎?，表示圓管在該點(diǎn)處受到拉伸。通過(guò)進(jìn)一步的觀察可以發(fā)現(xiàn)，9種工況下，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的軸向應(yīng)變都要小于環(huán)向應(yīng)變，說(shuō)明埋地圓管在受到塌落沖擊載荷作用時(shí)環(huán)向應(yīng)變更大；再考慮到一般天然氣圓管內(nèi)都有氣壓，最終使得圓管在受到?jīng)_擊時(shí)極易產(chǎn)生沿軸向的裂紋。

進(jìn)一步分析土體介質(zhì)對(duì)于埋地圓管受沖擊時(shí)動(dòng)態(tài)應(yīng)變的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)，土體介質(zhì)對(duì)于埋地圓管受塌落沖擊載荷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)是有較大影響的。整體來(lái)說(shuō)，土體越致密，塌落沖擊能量的衰減越慢，圓管所受的沖擊載荷就越大，相應(yīng)的應(yīng)變也越大。而土質(zhì)越疏松，塌落沖擊能量會(huì)被松軟的土質(zhì)所吸收，載荷對(duì)圓管造成的影響就越小。

分析落錘質(zhì)量對(duì)于應(yīng)變曲線的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，落錘質(zhì)量對(duì)于應(yīng)變的恢復(fù)周期具有明顯的影響:32 kg落錘沖擊引起的應(yīng)變恢復(fù)時(shí)間接近20 ms；而8 kg和16 kg落錘的應(yīng)變恢復(fù)時(shí)間基本在15 ms以內(nèi)。

1.2.2 圓管應(yīng)變影響因素極差分析

定量分析塌落沖擊作用下土質(zhì)、落錘質(zhì)量、塌落高度這3種因素引起的圓管所受沖擊應(yīng)變的變化規(guī)律，可得出這3種因素對(duì)圓管應(yīng)變影響的權(quán)重。

首先，將圓管中心點(diǎn)處的環(huán)向應(yīng)變(即所有測(cè)點(diǎn)量的最大值)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，取每種工況下測(cè)得的圓管所受沖擊的最大應(yīng)變?chǔ)舖ax。依據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法極差分析標(biāo)準(zhǔn)流程，對(duì)每種影響因素的每個(gè)水平 下的應(yīng)變求和，得到K1、K2、K3。例如:表3中，落錘質(zhì)量m列，K1＝-2 743.60×10-6是質(zhì)量為8 kg的落錘對(duì)應(yīng)工況下(即工況II、IV、VIII)最大應(yīng)變之和；塌落高度h列，K2的值為高度4 m工況下(工況III、IV、IX)所對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)變之和；塌落高度h列，K2的值為高度6 m工況下(工況I、VI、VIII)所對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)變之和；以此類推，可以求得各列的K1、K2、K3。

而后，進(jìn)一步求得K1、K2、K3的平均值(如表3每種工況下最大應(yīng)變)。

最后，根據(jù)表3中的結(jié)果，得到3種因素對(duì)圓管應(yīng)變的趨勢(shì)圖(如圖4)，按照極差的大小可以排出對(duì)圓管應(yīng)變影響的主次因素。

表3 每種工況下的最大應(yīng)變量Tab.3 Maximum strain under each working condition

圖4 應(yīng)變影響因素的斜率Fig.4 Slope of factors affecting strain

圖4中，m、h、R3條折線分別對(duì)應(yīng)落錘質(zhì)量、塌落高度和管土剛度比對(duì)圓管應(yīng)變的影響趨勢(shì)。可以明顯看出，落錘質(zhì)量和塌落高度對(duì)于圓管應(yīng)變都有較為明顯的影響，即隨著落錘質(zhì)量的增加或者塌落高度的提高，圓管應(yīng)變?cè)龃螅浑S著落錘質(zhì)量的改變，測(cè)得的應(yīng)變的極差達(dá)到231.80×10-6，塌落高度影響下對(duì)應(yīng)的應(yīng)變極差為198.46×10-6。但是，考慮到各個(gè)因素水平設(shè)計(jì)時(shí)，落錘質(zhì)量是8、16、32 kg依次翻倍，而塌落高度3個(gè)水平依次是4、6、8 m等差遞增，相對(duì)而言，塌落高度對(duì)于圓管應(yīng)變的影響程度要大于落錘質(zhì)量。從圖4中看，土質(zhì)對(duì)于埋地圓管受塌落沖擊的應(yīng)變則有更大的影響，即隨著土質(zhì)的改變，圓管應(yīng)變有劇烈變化，應(yīng)變極差達(dá)945.83×10-6。因此，對(duì)埋地圓管在塌落沖擊載荷下的應(yīng)變影響最大的為土質(zhì)，其次為塌落高度，最后為落錘質(zhì)量。

1.2.3 圓管應(yīng)變影響因素方差分析

方差分析是檢驗(yàn)在F假設(shè)條件下各組的均值是否相等，通過(guò)分析結(jié)果，判斷各相關(guān)因素的影響是否顯著的分析方法。顯著性水平α取0.01、0.05、0.10，F(xiàn)0.01、F0.05、F0.10分別為顯著性水平α為0.01、0.05、0.10時(shí)在F檢驗(yàn)下的F值。當(dāng)F≥F0.01時(shí)，表示對(duì)指標(biāo)的影響為特別顯著；當(dāng)F0.05≤F＜F0.01時(shí)，為有顯著性影響；當(dāng)F0.10≤F＜F0.05時(shí)，為有影響、但不是特別顯著；當(dāng)F＜F0.10時(shí)，為無(wú)顯著性影響。

查閱F分布臨界表可得

計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 方差分析Tab.4 Variance analysis

分別以Fm、Fh、FR表示落錘質(zhì)量、塌落高度、管土剛度比的F值。再與F臨界分布比較，得到Fm＝1.52＜F0.10(2，2)和Fh＝1.52＜F0.10(2，2)，可知落錘質(zhì)量和塌落高度對(duì)圓管應(yīng)力的影響不顯著。而F0.05(2，2)＜FR＝29.26＜F0.01(2，2)，可知管土剛度比對(duì)圓管應(yīng)變有顯著影響。

可見(jiàn)，這3種因素對(duì)圓管最大應(yīng)變影響最顯著的是管土剛度比。在方差分析中可以發(fā)現(xiàn)，落錘質(zhì)量以及塌落高度的顯著性水平都為不顯著；但在極差分析以及圖4中可以發(fā)現(xiàn)，落錘質(zhì)量和塌落高度對(duì)圓管應(yīng)變是有較大影響的。方差分析的結(jié)果可能是由于試驗(yàn)誤差較大而且誤差自由度小，使得檢驗(yàn)的靈敏度降低。

2 塌落過(guò)程及對(duì)圓管沖擊效應(yīng)的相似率分析

Murphy[7]指出，在普通重力場(chǎng)中，尺寸縮比試驗(yàn)不能合理地模擬重力載荷。張獻(xiàn)民等[8]針對(duì)水平動(dòng)載作用下的樁-土-結(jié)構(gòu)體系，基于π定理，采用量綱分析法，提出考慮土-結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)相似的模型相似設(shè)計(jì)方法。Oshiro等[9]研究分析了金屬殼圓柱管在軸向沖擊載荷作用下的應(yīng)變率效應(yīng)，提出了一種通過(guò)改進(jìn)加載速度進(jìn)行修正的方法。王敏等[10]依據(jù)π定理推導(dǎo)出了考慮重力效應(yīng)的離心相似律，并從能量守恒角度推導(dǎo)出在重力場(chǎng)不變情況下的相似律。包杰等[11]提出了一種通過(guò)改變沖擊質(zhì)量來(lái)修正應(yīng)變率效應(yīng)的方法，該修正方法可以有效降低由于應(yīng)變率效應(yīng)而造成的縮尺誤差。

但是，塌落沖擊載荷作用下淺埋圓管的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及相似性研究未見(jiàn)報(bào)道。本文中，采用模型試驗(yàn)，分析塌落過(guò)程對(duì)淺埋圓管的沖擊效應(yīng)。

2.1 有限元模型

建立鋼筋混凝土塌落沖擊對(duì)淺埋圓管動(dòng)態(tài)響應(yīng)的1/4模型，如圖5所示。

圖5 數(shù)值計(jì)算模型Fig.5 Numerical calculation model

其中，沖擊體為鋼筋混凝土塊體。在數(shù)值計(jì)算模型兩個(gè)對(duì)稱面上施加約束，土壤模型上表面不施加約束，其他表面設(shè)置無(wú)反射邊界，達(dá)到模擬無(wú)限土壤介質(zhì)的效果。金屬圓管Q235材料參數(shù)如表5所示。土壤模型參數(shù)如表6。表6中，Epsi表示應(yīng)變；pi表示對(duì)應(yīng)Epsi時(shí)的壓力；pc為壓力切斷值。

表5 Q235材料參數(shù)[12-13]Tab.5 Material parameters of Q235

表6 土壤模型參數(shù)[14-16]Tab.6 Model parameters of soil

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

利用ANSYS LS-DYNA軟件建立了基于上述參數(shù)的數(shù)值模型。為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性，比較了落錘試驗(yàn)中3種土的深度和數(shù)值模擬的深度。選擇了試驗(yàn)方案中的工況II、工況V和工況VIII進(jìn)行模擬，地面受沖擊變形的試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比如圖6和表7所示。

圖6 試驗(yàn)和數(shù)值模擬中土壤變形情況對(duì)比Fig.6 Comparison of soil deformation between test and numerical simulation

表7 成坑深度及誤差比較Tab.7 Comparison of pit depths and errors

圖7為鋼筋混凝土塊體從某一高度塌落沖擊地面的不同時(shí)刻沖擊過(guò)程應(yīng)力云圖。從圖7可知，應(yīng)力在初始傳播時(shí)比較穩(wěn)定，保持在20 MPa左右。而當(dāng)應(yīng)力波傳遞至埋地圓管處，應(yīng)力波峰值將明顯增加，圓管上的應(yīng)力波峰值達(dá)到了40 MPa。

圖7 沖擊過(guò)程應(yīng)力云圖Fig.7 Stress cloud diagrams during impact process

圖8為金屬圓管不同時(shí)刻的應(yīng)力云圖，在土體介質(zhì)中的應(yīng)力波傳播至圓管上時(shí)，應(yīng)力波有明顯增強(qiáng)情況。因此，為防止爆破拆除過(guò)程中塌落沖擊載荷對(duì)埋地金屬圓管的損傷，需要采取有效防護(hù)措施，才能確保安全。

圖8 圓管應(yīng)力云圖Fig.8 Stress cloud diagrams of pipe

2.3 尺寸縮比模型及相似率驗(yàn)證

2.2小節(jié)中的數(shù)值模型為大尺寸的原型。對(duì)原型尺寸進(jìn)行等比例縮小，網(wǎng)格大小不變，建立尺寸分別為1/2縮比、1/10縮比的數(shù)值計(jì)算模型?？s比模型參數(shù)根據(jù)表8的相似關(guān)系確定，在圓管上選取一個(gè)測(cè)點(diǎn)，驗(yàn)證應(yīng)力的相似性，從而驗(yàn)證相似律的正確性。

表8 重力加速度不變時(shí)參數(shù)的相似關(guān)系Tab.8 Similarity of pararmeters under constant gravity acceleration

計(jì)算后，在模型中選取測(cè)點(diǎn)P單元的應(yīng)力波數(shù)據(jù)，得到原型與1/2模型和原型與1/10模型的應(yīng)力波曲線，如圖9所示。在繪制曲線之前，所有數(shù)據(jù)以及時(shí)間參數(shù)都按照相似關(guān)系進(jìn)行了轉(zhuǎn)化，以確保原型與模型應(yīng)力波曲線具有一致性。

分析圖9可知，原型與模型圓管中質(zhì)點(diǎn)的應(yīng)力波曲線均基本重合。分析表明，在該相似關(guān)系條件下，鋼筋混凝土塌落沖擊圓管的動(dòng)力響應(yīng)滿足相似律。但是，相比1/10縮比模型，原型與1/2縮比模型的吻合度更好，1/10縮比模型的應(yīng)力曲線相比原型出現(xiàn)了滯后效應(yīng)。

圖9 圓管質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力的相似關(guān)系驗(yàn)證Fig.9 Verification of stress similarity of pipe particles

3 結(jié)論

1)埋地金屬圓管受塌落沖擊后，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的環(huán)向應(yīng)變都大于軸向應(yīng)變；且在圓管內(nèi)部有預(yù)壓力的情況下，容易產(chǎn)生沿軸向的裂紋。

2)通過(guò)極差以及方差分析，重物質(zhì)量、塌落高度和管土剛度比3個(gè)因素中，對(duì)埋地圓管動(dòng)態(tài)應(yīng)變影響最顯著的因素為管土剛度比。

3)在重力加速度不變的情況下，相似關(guān)系的模型試驗(yàn)?zāi)軌驕?zhǔn)確反映原型試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在鋼筋混凝土塊體塌落沖擊圓管過(guò)程中，因?yàn)槭艿竭吔缧?yīng)和應(yīng)變率效應(yīng)的影響，埋地金屬圓管的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與原型試驗(yàn)結(jié)果稍有偏差，但是誤差小于5%。