謝飛

【摘 要】以地下管道為研究對象，在荷載作用下，建立管道模型，通過計算管道界面的最大環(huán)切應(yīng)力，分析管道所能承受的極限應(yīng)力。結(jié)果表明，管道埋藏深度、地基土層泊松比和外荷載對管道的極限破壞力有較大影響。為城市地下管道的抗震、抗壓設(shè)計提供重要的參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】地下管道安全；層次分析法；安全性；模糊評價

城鎮(zhèn)化是我國社會發(fā)展的主要戰(zhàn)略，隨著現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，供水系統(tǒng)愈加重要，供水系統(tǒng)破壞后嚴(yán)重影響城市人民的正常生活。城市地下空間的利用是潛在的發(fā)展方向。地下管道運輸系統(tǒng)有利于節(jié)省資源和空間，排水管道等屬于先期工程，地面建筑物容易導(dǎo)致管道破裂。自然災(zāi)害對管道系統(tǒng)有著極大的破壞性，如何合理地規(guī)劃與管理，提高系統(tǒng)工程的抗災(zāi)害能力，這已經(jīng)是城市發(fā)展的全新方向。

1.管道模型建立

1.1研究背景

埋地管道根據(jù)材質(zhì)不同可分為灰口鑄鐵管、球墨鑄鐵管、自應(yīng)力鋼筋混凝土管、鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管等。在土體荷載作用下，地下管道受較大側(cè)向變形，且受力情況不明確，受力過程是動態(tài)變化的，這對管道的受力分析有較大的難度。

從外載荷引起的管道響應(yīng)研究看出，地面發(fā)生側(cè)向變形會對地下管道產(chǎn)生嚴(yán)重影響。地下管道在載荷作用下的破壞主要由場地液化、自然災(zāi)害和大變形等原因造成。所以國內(nèi)外的學(xué)者對管土相互作用和場地大變形下的響應(yīng)做了較多實地勘測和理論試驗結(jié)合研究等。

1.2載荷分析

由于土體產(chǎn)生側(cè)向變形而使管道產(chǎn)生沉降及傾斜，影響結(jié)構(gòu)的安全使用；在地面荷載作用下，管道會受到復(fù)雜變形。管徑小的壓力管道失效以塑性失效為主，所謂的塑性失效載荷是指當(dāng)外載荷增加到某一值時，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

荷載能夠使管道產(chǎn)生內(nèi)力和幾何變形，并且產(chǎn)生內(nèi)力的同時，也將產(chǎn)生應(yīng)力。荷載可分為靜力荷載和動力荷載，區(qū)別是荷載的大小和位置是否隨時間變化，是否使管道產(chǎn)生顯著的運動，動力荷載產(chǎn)生的內(nèi)力按動力方法推算。由于直埋管道受土壤約束，動力荷載出現(xiàn)的機會較少，所以地下管道的力學(xué)計算可采用靜力學(xué)分析法。

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，有限單元法得到廣泛的應(yīng)用。有限元將求解域看成許多小的單元，然后根據(jù)每一單元的近似解推導(dǎo)出整體方程。有限元分析遵守的基本假設(shè)：（1）假設(shè)整個物體是連續(xù)的；（2）假設(shè)物體每一點的物理性質(zhì)在各個方向相同；（3）假設(shè)物體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系符合虎克定律。有限元基本原理：連續(xù)體被劃分為有限單元，相鄰單元在節(jié)點處相連，以節(jié)點的位移分量為未知量，引進等效節(jié)點力和節(jié)點約束條件。然后確定單元形狀函數(shù)，通過虛功原理建立每個單元的結(jié)點力和位移的關(guān)系。最后由所有單元的平衡方程組成總體剛度矩陣，引入邊界條件后求解所有節(jié)點位移。

2.管道失效和安全性分析

2.1管道應(yīng)力分析

在荷載作用下，管道為滿足靜力平衡而產(chǎn)生直接應(yīng)力；管道為滿足變形協(xié)調(diào)條件而產(chǎn)生附加應(yīng)力；管道由于局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)而引起應(yīng)力集中，它的特點是不明顯的變形。由于直埋管道主要是軸力產(chǎn)生的破壞，故對于直接應(yīng)力進行彈性分析；為防止管道塑性破壞，應(yīng)采用安定性理論進行應(yīng)力分析。由于任何載荷都可能產(chǎn)生塑性變形，周期應(yīng)力引起的疲勞破壞常發(fā)生在應(yīng)力集中的部位。

綜上所述，對于地下管道，屬于直接靜力加載；而從長期看，屬于反復(fù)周期加載，會產(chǎn)生應(yīng)力疲勞。因此，既要采用應(yīng)力分類法對靜態(tài)應(yīng)力進行彈性分析，又要采用安定性理論對復(fù)雜周期應(yīng)力采用安定性分析。

2.2管道失效形式

地下管道的強度失效形式包括管材的強度破壞、循環(huán)塑性變形和疲勞破壞。疲勞破壞主要是發(fā)生在有應(yīng)力集中的部分，且最大應(yīng)力的作用影響較大，所以管件處理應(yīng)考慮應(yīng)力集中系數(shù)。

強度破壞主要考慮材料的屈服應(yīng)力為，當(dāng)由內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力超過屈服極限應(yīng)力時，管道會產(chǎn)生變形，使管道發(fā)生斷裂等破壞現(xiàn)象。

循環(huán)性的塑性變形是由于溫變的變化而產(chǎn)生的。地下管道周圍的溫度變化較大時，熱脹冷縮會引起管道軸向方向因壓應(yīng)力作用而產(chǎn)生塑性變形。在實際運行過程中，循環(huán)壓力變化與溫度變化有直接關(guān)系，管道會隨著壓力和溫度的循環(huán)變化而產(chǎn)生循環(huán)性的塑性變形。

大多數(shù)管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范在管道截面內(nèi)力計算時，通常是把管道從周圍填土中隔離出來，認(rèn)為土壓力是外荷載而直接作用在管道上，從而用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法計算管道的截面內(nèi)力。我國《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》詳細給出了地下管道設(shè)計計算的相關(guān)內(nèi)容，埋地管道的管頂豎向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)根據(jù)管道的敷設(shè)條件和施工方法分別計算確定。

3.管道模糊評價

地下管道的壁厚是影響安全運行的主要因素。在進行失效分析時，需要對管道進行失效分析和安定性分析；在進行失效分析時，由于管道的局部受力條件不同，所以分別對其進行壁厚計算。管道的實時壁厚可以通過對比安全運行的最小壁厚，通過計算得到管道的使用壽命。

大多數(shù)管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范通常是把管道從填土中隔離出來，認(rèn)為土壓力外荷載直接作用在管道上，從而用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法計算管道應(yīng)力。實際工程存在著不確定因素，且具有隨機性，通過確定各因素之間的模糊關(guān)系，對模糊現(xiàn)象安全性評價。我們通過對安全性指標(biāo)數(shù)據(jù)采用層次分析法對地下管道進行安全性評判。

首先建立因素集，用層次分析法獲得權(quán)重，用分度法構(gòu)造如下比較矩陣，計算得最大特征值及特征向量，得歸一化后的權(quán)向量為，然后檢驗對比矩陣構(gòu)造合理。其次，建立評價等級V={很安全，安全，一般，不安全}，確定評價矩陣：

R=0.5 0.25 0.15 0.1

0.4 0.3 0.15 0.15

0.6 0.2 0.1 0.1

0.5 0.2 0.2 0.1

最后利用綜合評判S=woR，得到評價向量，可得地下管道較為安全。對地下管道的變形進行了安全性評估。在進行評估之前確定管道埋與土體變形的關(guān)系，并將其分解為兩個方向上的變形，再進行安全度計算，通過計算可以得到，外界因素對地下管道發(fā)生破壞概率的影響，得到不同管徑、不同壁厚條件下的管道破壞概率，綜合考慮這些因素來提高管道的安全性能，保證地下供水管道的安全性。

4.結(jié)論

（1）在土體荷載作用下，會使管道產(chǎn)生附加荷載及沉降變形，地面建筑作用下土體附加應(yīng)力的計算則因外荷載而異。動態(tài)載荷模擬管道損壞的效果較合適，但文章是基于靜荷載來考慮，在實際工程中，應(yīng)根據(jù)動載荷的最大值來設(shè)定負(fù)載水平、作用時間和載荷頻率等。

（2）對地下管道的安全性評估，對某地下管道在一定地面變形條件下的破壞，分析了管道和場地等因素對管道破壞概率的影響，為城市供水管道的抗震設(shè)計提供了重要的參考依據(jù)。

設(shè)計巷道斷面時涉及較多的模糊因素，為了更好的評判不同方案，在第四節(jié)優(yōu)化得到地質(zhì)參數(shù)的基礎(chǔ)上，我們建立仿真模型得到計算數(shù)據(jù)，然后進行安全性評判，最終得到半圓拱形斷面較安全，對工程施工有一定的借鑒意義。 [科]

【參考文獻】

[1]戴宏偉，陳仁朋，陳云敏.地面新施工荷載對臨近地鐵隧道縱向變形的影響分析研究[J].巖土工程學(xué)報，2006，28（3）：312-316.

[2]KanninenM.F，BrookD，MarschallCW，RybickiEF，SampathSG，SimonenFAWilkows

kiGM.Mechanical Fracture Predictions for Sensitized Stainless Steel Pipling with Circumferential Crack[R].Final Report EPRI NP-1921，1976.