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(shí)的城市生命線。對城市管道進(jìn)行風(fēng)險評估分析可以有效地識別其安全隱患，進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)也有較大提高。造成市政管道破壞的主要原因?yàn)榈鼗袎耗芰Σ顚?dǎo)致場地沉降，給社會經(jīng)濟(jì)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(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)地調(diào)研，運(yùn)用彈性地基梁模型對市政管道的受力情況進(jìn)行了綜合定量研究，進(jìn)而對其不均勻敏感性進(jìn)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(diǎn)。

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(yùn)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(biāo)的敏感性因素，并且分析、測算其對特定指標(biāo)的影響程度和敏感性程度，從而判斷特定指標(biāo)承受風(fēng)險能力的一種不確定性分析方法。

3 實(shí)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(jìn)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(jìn)而對受應(yīng)力最大的支座位置進(jìn)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(qiáng)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(fù)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(biāo)，即沉降量對管道的不均勻下降最為敏感。因此，在實(shí)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(yùn)行。

4 結(jié)束語

文章結(jié)合實(shí)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(jìn)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(fù)向關(guān)系。通過對上述要素進(jìn)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。