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        市政管道不均勻沉降風(fēng)險評估分析

        2021-10-26 10:13:12周錢剛周華杰黃紅梅
        工程技術(shù)研究 2021年14期
        關(guān)鍵詞:彎曲應(yīng)力管徑敏感度

        周錢剛,周華杰,黃紅梅

        1.廣東天元建筑設(shè)計有限公司,廣東 佛山 528000

        2.海信(廣東)廚衛(wèi)系統(tǒng)股份有限公司,廣東 佛山 528000

        市政管道包括供排水、供給天然氣等諸多基礎(chǔ)設(shè)施,是名副其實的城市生命線。對城市管道進行風(fēng)險評估分析可以有效地識別其安全隱患,進而開展分級治理工作,意義非常重大。目前城市的功能型需求越來越高,使得建設(shè)市政管道的標準也有較大提高。造成市政管道破壞的主要原因為地基承壓能力差導(dǎo)致場地沉降,給社會經(jīng)濟與居民安全帶來重大損害與威脅[1]。因此,文章通過收集市政管道資料,對某市的管道情況進行了詳細的實地調(diào)研,運用彈性地基梁模型對市政管道的受力情況進行了綜合定量研究,進而對其不均勻敏感性進行了剖析。

        1 彈性地基梁分析模型

        1.1 管道不均勻沉降力學(xué)分析

        市政管道受到管道自身重力、上覆土體的應(yīng)力擠壓以及管道內(nèi)的流動物質(zhì)影響,會出現(xiàn)不同規(guī)模的不均勻沉降現(xiàn)象,在此期間管道受力情況會發(fā)生顯著變化,主要表現(xiàn)形式為彎曲、變形等[2]。市政管道變形分析模型如圖1所示,L為管道沉降距離的一半,A、B分別為管道沉降點。

        圖1 市政管道變形分析模型

        如果忽略管道慣性的影響,其管道變形可以用運動平衡方程表示:

        式中:EI、y、K分別為管道的縱向彎曲剛度、管道沉降度、土壤剛度系數(shù)。

        可得出彎曲矩陣方程為

        式中:yB、L分別為市政管道沉降量、沉降的一半距離。

        由此,可得市政管道的總伸長距離為

        1.2 市政管道荷載分析

        作用在市政管道上的荷載主要包括上覆土體的壓力、管道內(nèi)流動物質(zhì)的壓力以及市政管道自身重力,此外還需要考慮管頂上覆土壓力、管道自重、地面荷載以及管道閉合溫差作用產(chǎn)生的縱向應(yīng)力。經(jīng)過計算,管道在荷載作用之下的彎曲應(yīng)力為

        式中:M、b、t、N分別為管道壁最大環(huán)向彎矩設(shè)計值、管道壁寬度、管道壁計算厚度和管道壁最大環(huán)向軸力設(shè)計值。

        管道壁截面的折算最大應(yīng)力為

        式中:σx、vp、α、ΔT分別為管道壁的縱向截面應(yīng)力、泊松比、管道的線膨脹系數(shù)、管道的溫差。

        2 管道指數(shù)安全評價法敏感度分析

        敏感度分析指在不確定因素中找到特殊的評價指標的敏感性因素,并且分析、測算其對特定指標的影響程度和敏感性程度,從而判斷特定指標承受風(fēng)險能力的一種不確定性分析方法。

        3 實例分析

        該市的市政管道主要為鋼材質(zhì),其基本應(yīng)力參數(shù)如表1所示。對于市政管道的應(yīng)力分析主要是對管道應(yīng)力與變形各影響因素進行函數(shù)分析,并且管道的最大縱向應(yīng)力主要作用于支座底部,應(yīng)力主要由上覆土體的壓力、管道內(nèi)流動物質(zhì)的壓力以及市政管道自身重力等組合應(yīng)力形成。如以該市市政管道的沉降區(qū)長度、管道埋深深度以及管道壁內(nèi)徑等為分析變量,進而對受應(yīng)力最大的支座位置進行分析變化研究,通過式(6)即可得最大應(yīng)力值。

        表1 某市市政管道鋼材具體參數(shù)

        最大彎曲應(yīng)力與管徑變化曲線如圖2所示,沉降區(qū)的半深為L=30m,管道埋深為2.5m,最大沉降量為yB=40mm。由圖2可以看出,管徑的寬窄與管道的最大應(yīng)力呈正向關(guān)系,但當(dāng)管道管徑>1000mm時,其正比關(guān)系呈現(xiàn)降緩趨勢;當(dāng)管道管徑在800~1000mm,其最大應(yīng)力會超過屈服強度,此時市政管道存在一定的安全隱患。

        圖2 管徑與最大應(yīng)力關(guān)系曲線

        最大彎曲應(yīng)力與不同沉降區(qū)長度的變化曲線如圖3所示,管道管徑為2000mm,埋深為2.5m,最大沉降量為yB=40mm。由圖3可以看出,不同沉降區(qū)長度與管道的最大應(yīng)力呈負向關(guān)系,但當(dāng)沉降區(qū)長度不大于50m時,對市政管道的最大彎曲應(yīng)力影響較大,存在一定的安全隱患。

        圖3 沉降區(qū)長度與最大應(yīng)力關(guān)系曲線

        最大彎曲應(yīng)力與不同埋深的變化曲線如圖4所示,管道管徑為2000mm,沉降區(qū)的半深為L=30m,最大沉降量為yB=40mm。由圖4可以看出,埋深深度與管道的最大應(yīng)力呈正向關(guān)系,而且隨著管道埋深深度的增大,不均勻沉降應(yīng)力與總應(yīng)力變化趨于一致。

        圖4 埋深與最大應(yīng)力關(guān)系曲線

        最大彎曲應(yīng)力與不同沉降量的變化曲線如圖5所示,管道管徑為2000mm,沉降區(qū)的半深為L=30m。由圖5可以看出,沉降量與管道的最大應(yīng)力呈正向關(guān)系,而且當(dāng)沉降量>50mm時,管道的最大應(yīng)力急劇升高,使其處于過度消耗狀態(tài),造成一定的安全隱患。

        圖5 沉降量與最大應(yīng)力關(guān)系曲線

        根據(jù)上述分析,可以得出相應(yīng)的管道敏感度指標,即沉降量對管道的不均勻下降最為敏感。因此,在實際的市政管道設(shè)計中,應(yīng)充分重視管道的沉降量觀測,以確保市政管道的平穩(wěn)運行。

        4 結(jié)束語

        文章結(jié)合實例,對市政管道中的沉降區(qū)長度、管道管徑、管道埋深、沉降量進行了彈性地基梁分析,其中管道管徑、埋深深度、沉降量與管道最大彎曲應(yīng)力呈正向關(guān)系,而沉降區(qū)長度與管道最大彎曲應(yīng)力呈負向關(guān)系。通過對上述要素進行敏感度分析,得出最敏感因素為管道的沉降量,因此在此類管道建設(shè)中,應(yīng)該合理規(guī)劃設(shè)計管道的沉降量。

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