重車碾壓下陜京管道力學(xué)響應(yīng)與防護(hù)措施分析

楊政學(xué)，葉光，黨學(xué)鋒，李剛，時(shí)若楠，侯曉梅，武學(xué)健

（1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)北京管道公司內(nèi)蒙古輸油氣分公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010030；2.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司油氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)分公司，河北 廊坊 065000；3.中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，各等級(jí)道路里程數(shù)迅速增長(zhǎng)，道路與埋地管道交叉的情況也日益增多。交叉段管道除了受到覆土壓力、內(nèi)壓等載荷外，還會(huì)受到的交通荷載的影響，尤其是一些重型工程車輛的反復(fù)碾壓，會(huì)嚴(yán)重威脅管道的安全運(yùn)行[1-6]。在2015 年，中石化某成品油管道就因重型施工車輛的碾壓而破裂導(dǎo)致火災(zāi)；2021 年，武漢某燃?xì)夤艿酪惨驗(yàn)檐囕v碾壓導(dǎo)致泄漏。為此，國(guó)家應(yīng)急管理部組織在2020 年和2022 年兩次強(qiáng)調(diào)要對(duì)敷設(shè)在道路下的長(zhǎng)輸管道進(jìn)行安全隱患排查，消除事故隱患。

對(duì)于車輛碾壓作用下管道力學(xué)響應(yīng)的研究已有一些學(xué)者完成了試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，基本明確了重車質(zhì)量、管徑、壁厚、內(nèi)壓等影響因素對(duì)管道力學(xué)狀態(tài)的影響規(guī)律[7-10]。但是針對(duì)重車碾壓作用下管道安全防護(hù)措施的研究較少，目前對(duì)于重車碾壓作用下的埋地管道一般采用蓋板防護(hù)、鋼板防護(hù)或者蓋板涵防護(hù)等措施。其中，蓋板涵能夠直接承擔(dān)車輛荷載，阻斷車輛荷載向下傳遞，起到保護(hù)管道的效果；其他的防護(hù)措施都能夠不同程度的減小重車對(duì)管道造成的應(yīng)力，但是這些方法對(duì)重車作用下管道力學(xué)狀態(tài)的影響效果目前并沒(méi)有更深入的研究。因而本文通過(guò)建立考慮管土非線性相互作用的重車碾壓管道數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)陜京線管道進(jìn)行了重車碾壓作用下管道力學(xué)響應(yīng)計(jì)算，并對(duì)比分析了蓋板防護(hù)、鋼板防護(hù)兩種措施的效果。以便于工程上對(duì)重車碾壓作用下埋地管道的安全防護(hù)進(jìn)行參考，更準(zhǔn)確的保護(hù)管道安全運(yùn)行。

1 典型工況

由于陜京管道沿線城市化發(fā)展較快，部分管段開始出現(xiàn)重車碾壓的情況，這些管段設(shè)計(jì)階段為一般埋地管段，未做任何保護(hù)措施。為了對(duì)陜京管道上方重車碾壓是否存在安全隱患做出科學(xué)性的判斷，通過(guò)建立陜京管道重車碾壓作用下管道力學(xué)響應(yīng)數(shù)值仿真模型，對(duì)重車碾壓作用下的管道安全狀態(tài)開展分析。

陜京管道常見(jiàn)管徑為660 mm、711 mm、914 mm、1 016 mm、1 219 mm，每種管徑的管道在實(shí)際運(yùn)行中都設(shè)計(jì)了不同壁厚、埋設(shè)、內(nèi)壓等，歸納整理不同管道工況得到數(shù)值仿真模型的計(jì)算工況如下表1 所示。

表1 陜京管道服役工況統(tǒng)計(jì)

2 重車碾壓數(shù)值模型

采用數(shù)值仿真分析軟件ABAQUS，建立重車碾壓作用下管道力學(xué)響應(yīng)數(shù)值仿真模型[11-15]，幾何模型包括路基、土壤、埋地管道及蓋板。圖1 為模型幾何示意圖，重車垂直行駛過(guò)管道上方。最終建立的重車碾壓作用下管道力學(xué)響應(yīng)數(shù)值仿真模型的幾何部分如圖2 所示。

圖1 模型幾何示意圖

圖2 重車碾壓管道幾何模型

圖3 模型網(wǎng)格剖分示意圖

圖4 管道環(huán)向應(yīng)力隨行駛時(shí)間變化規(guī)律

本次計(jì)算工況中陜京管道采用X60、X70、X80 管材，因此設(shè)置數(shù)值模型中管材的彈性模量為210 GPa，泊松比0.3，密度7 850 kg/m2，管材塑性數(shù)據(jù)采用Ramberg-Osgood 模型。土壤模型采用Drucker-Prager模型，土壤材料參數(shù)根據(jù)不同城市道路下方埋地管道周圍的土壤性質(zhì)進(jìn)行設(shè)置，以滿足陜京管道在不同省市道路下方穿越時(shí)的土壤差異。

模型邊界條件的設(shè)置，模型底部設(shè)置固定約束，對(duì)稱面設(shè)置對(duì)稱約束，管道和土體間設(shè)置“面面接觸”，摩擦系數(shù)為0.3。為了準(zhǔn)確模擬重車的運(yùn)動(dòng)，考慮路面不平度和車輛自身振動(dòng)作用，模型載荷設(shè)置為具有空間和時(shí)間兩個(gè)維度的隨機(jī)動(dòng)載荷，使用函數(shù)方法施加[16-17]。

模型中管道采用殼單元，單元類型設(shè)置為四節(jié)點(diǎn)曲殼單元S4R。其余部分為實(shí)體單元，單元類型為8節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元C3D8R。模型在網(wǎng)格剖分時(shí)對(duì)管道及重車碾壓的區(qū)域進(jìn)行加密剖分，以保證模型計(jì)算的準(zhǔn)確性。

將數(shù)值仿真模型計(jì)算得到的管道應(yīng)力結(jié)果與作者團(tuán)隊(duì)前期的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比[17]，結(jié)果表明按試驗(yàn)條件取模型相關(guān)參數(shù)，重車行駛至管道正上方時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果的管道環(huán)向應(yīng)力隨行駛時(shí)間的變化規(guī)律基本一致，證明了本文數(shù)值仿真模型的準(zhǔn)確性。

3 計(jì)算結(jié)果與防護(hù)措施

通過(guò)上述建立的陜京管道重車碾壓作用下管道力學(xué)響應(yīng)數(shù)值仿真模型，計(jì)算表1 給出的數(shù)值仿真模型工況，形成陜京管道重車碾壓作用下管道應(yīng)力速查表。對(duì)于無(wú)缺陷管道的安全評(píng)價(jià)，就可以直接通過(guò)該表得到管道MISES 應(yīng)力，結(jié)合GB 50251 《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，與該管道所處等級(jí)地區(qū)的許用應(yīng)力對(duì)比，即可得到待評(píng)估管段的安全狀態(tài)。

基于以上安全評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)處于危險(xiǎn)范圍的埋地管道需要采取保護(hù)措施[18-20]，目前重車碾壓作用下埋地管道的安全防護(hù)常用鋼筋混凝土蓋板防護(hù)、鋼板防護(hù)、蓋板涵防護(hù)三種保護(hù)措施[21]。其中，蓋板涵能夠直接承擔(dān)車輛荷載，阻斷車輛荷載向下傳遞，起到保護(hù)管道的效果；鋼板防護(hù)一般采用3 000 mm×2 000 m×30 mm 的鋼板鋪設(shè)于路面進(jìn)行防護(hù)；蓋板防護(hù)一般采用3 m×2 m×0.2 m 的鋼筋混凝土蓋板鋪設(shè)于路面進(jìn)行防護(hù)。本文通過(guò)建立數(shù)值仿真模型，對(duì)比分析未做防護(hù)、蓋板防護(hù)和鋼板防護(hù)三種工況下管道應(yīng)力狀態(tài)的變化。

3.1 不同防護(hù)措施保護(hù)效果分析

為了觀察管道不同位置的Mises 應(yīng)力分布情況，提取了無(wú)防護(hù)措施時(shí)數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果的管道Mises應(yīng)力分布云圖如圖5 所示，管道不同位置（管頂、管底、管側(cè)）的Mises 應(yīng)力隨軸向位置的分布規(guī)律如圖6 所示。結(jié)果表明受重車碾壓的管道，Mises 應(yīng)力最大值位于管道頂部，因此對(duì)于無(wú)缺陷管道的安全評(píng)價(jià)，最需要關(guān)注管頂?shù)腗ises 應(yīng)力情況。

圖5 管道不同位置Mises 應(yīng)力分布圖

圖6 管道不同位置Mises 應(yīng)力隨軸向位置變化規(guī)律

分別建立數(shù)值仿真模型，對(duì)比同一條件下未做防護(hù)措施、鋼筋混凝土蓋板防護(hù)措施、鋼板防護(hù)措施三種方式對(duì)管道力學(xué)狀態(tài)的影響。三種方式數(shù)值仿真計(jì)算得到的Mises 應(yīng)力云圖如下圖7 所示?？梢钥闯鋈N方式計(jì)算得到的管道最大Mises 應(yīng)力都位于管道頂部，其中，未做任何保護(hù)措施時(shí)管道最大Mises 應(yīng)力為137.3 MPa，鋪設(shè)20 cm 鋼筋混凝土蓋板后管道最大Mises 應(yīng)力為105.6 MPa，鋪設(shè)30 mm 鋼板后管道最大Mises 應(yīng)力為102.7 MPa。

圖7 不同防護(hù)措施的管道Mises 應(yīng)力云圖

不同防護(hù)措施計(jì)算得到的管頂Mises 應(yīng)力沿管道軸向位置的變化如圖8 所示，對(duì)比發(fā)現(xiàn)鋪設(shè)20 cm鋼筋混凝土蓋板與30 mm 鋼板對(duì)重車碾壓作用下埋地管道的保護(hù)效果接近。在工程中對(duì)管道的長(zhǎng)期保護(hù)建議鋪設(shè)鋼筋混凝土蓋板或直接使用蓋板涵保護(hù)；對(duì)于無(wú)法及時(shí)施工，且重型車輛臨時(shí)通過(guò)的路段，可以鋪設(shè)厚度不小于30 mm 的鋼板。蓋板或鋼板的鋪設(shè)要保證板的寬度不小于路面寬度，且要求板底地基應(yīng)力足夠大，板底地基平整密實(shí)無(wú)沉降，不能在松軟的土地上直接鋪設(shè)；當(dāng)?shù)鼗鶓?yīng)力不足時(shí)，應(yīng)先鋪設(shè)砂礫石墊層并夯實(shí)，以并保證換填后地基應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 不同防護(hù)措施對(duì)管頂Mises 應(yīng)力的影響

3.2 防護(hù)面積對(duì)防護(hù)措施效果分析

目前對(duì)蓋板或鋼板的敷設(shè)要求一般是鋼板或蓋板長(zhǎng)度方向垂直管道中軸線，水平敷設(shè)，各板之間拼接應(yīng)緊密，縫隙寬度不能超過(guò)2 cm。因此施工時(shí)需要多塊蓋板拼接使用，但需要使用的蓋板數(shù)量，即鋪設(shè)蓋板的面積并沒(méi)有明確。通過(guò)建立的數(shù)值仿真模型，計(jì)算了不同蓋板數(shù)量（蓋板寬度）對(duì)管道應(yīng)力狀態(tài)的影響，計(jì)算結(jié)果如表2 所示，不同蓋板寬度保護(hù)下管道的Mises 應(yīng)力云圖如圖9 所示。

圖9 不同蓋板寬度保護(hù)下管道Mises 應(yīng)力云圖

表2 蓋板寬度對(duì)管道力學(xué)狀態(tài)影響數(shù)據(jù)

提取得到蓋板寬度對(duì)管頂Mises 應(yīng)力的影響規(guī)律如圖10 所示，研究發(fā)現(xiàn)敷設(shè)蓋板可以有效降低重車碾壓作用下埋地管道所受的應(yīng)力，且蓋板寬度的增加可以進(jìn)一步降低管道所受的應(yīng)力。但是隨著寬度的增加，管道應(yīng)力降低的幅度也減少，也就是隨著蓋板寬度的增加，蓋板對(duì)埋地管道保護(hù)的效果逐步趨于穩(wěn)定。建議在鋪設(shè)蓋板時(shí)至少保證蓋板寬度要寬于路面的寬度，且寬于路面寬度2 m 時(shí)既能使得保護(hù)效果更好，同時(shí)也能充分利用蓋板的保護(hù)效果。

圖10 蓋板寬度對(duì)管頂Mises 應(yīng)力的影響規(guī)律

4 結(jié)論

本文通過(guò)建立考慮管土非線性相互作用的管道力學(xué)響應(yīng)數(shù)值模型，計(jì)算分析了重車碾壓作用下陜京管道的力學(xué)狀態(tài)，對(duì)比分析了常用的重車碾壓作用下管道安全防護(hù)措施，提出了更為可靠的防護(hù)建議以供參考，總結(jié)如下：

（1） 重車碾壓作用導(dǎo)致管道產(chǎn)生整體垂向彎曲變形以及車輪碾壓位置局部變形，管道僅受車輛碾壓作用時(shí)，管底受到拉應(yīng)力的作用，管頂受到壓應(yīng)力的作用。但由于管道內(nèi)壓的存在，重車在管頂產(chǎn)生的壓應(yīng)力與內(nèi)壓泊松效應(yīng)產(chǎn)生的拉應(yīng)力相互消減，使管頂應(yīng)力減小；管底則是內(nèi)壓引起的拉應(yīng)力與車輛碾壓引起的拉應(yīng)力相互疊加，使得拉應(yīng)力增大。增加管徑、壁厚、管道埋深可以降低重車載荷對(duì)管道產(chǎn)生的影響，車重對(duì)管道軸向應(yīng)力的影響最大。

（2）工程中鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的鋼筋混凝土蓋板與鋼板對(duì)重車碾壓作用下埋地管道的保護(hù)效果接近，建議對(duì)管道的長(zhǎng)期保護(hù)采用鋼筋混凝土蓋板或直接使用蓋板涵保護(hù)，對(duì)于無(wú)法及時(shí)施工且重型車輛臨時(shí)通過(guò)的路段，可以使用鋼板防護(hù)措施。

（3）蓋板或鋼板的鋪設(shè)要保證板底有足夠的地基應(yīng)力，板底地基平整密實(shí)無(wú)沉降，不能直接鋪設(shè)在松軟的土地上；當(dāng)?shù)鼗鶓?yīng)力不足時(shí)，應(yīng)先鋪設(shè)砂礫石墊層并夯實(shí)，以并保證換填后地基應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。敷設(shè)蓋板或鋼板的整體寬度至少要寬于路面的寬度，且寬于路面寬度2 m 時(shí)既能使得保護(hù)效果更好，也能充分利用蓋板的保護(hù)效果。