鐘紫藍(lán),張亞波,李錦強(qiáng),韓俊艷,繆惠全

(城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京工業(yè)大學(xué)),北京 100124)

城市地下管道系統(tǒng)是城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施,是保障城市功能整體正常運(yùn)行的地下生命線。由于埋地管網(wǎng)系統(tǒng)具有形式復(fù)雜、分布廣泛等特點(diǎn),因此地下管線變形破壞的致災(zāi)因子較多,包括地震作用引起的斷層、滑坡和場(chǎng)地液化[1-3],隧道盾構(gòu)施工等引起的地面沉降[4-6]以及基坑開(kāi)挖造成周圍的地層擾動(dòng)[7-9]等,進(jìn)而引起鄰近區(qū)域管線的附加受力和變形。

以往實(shí)際的自然災(zāi)害表明,管道承插式接口軸向拉壓破壞是地震激勵(lì)作用下管道的常見(jiàn)破壞形式,但O’rourke等[2]指出當(dāng)具有柔性承插式接口的球墨鑄鐵管道在地震作用下引起整體彎曲變形時(shí),在接口轉(zhuǎn)角達(dá)到4°～15°時(shí),管段應(yīng)力便開(kāi)始大幅度增長(zhǎng),同時(shí)孫紹平等[1]也指出由于地震波入射角不同,軸向位移有較大變化,軸向應(yīng)力遠(yuǎn)大于彎曲應(yīng)力,但隨著管徑增大,彎曲應(yīng)力逐漸增加,因此對(duì)于彎曲作用下的管道接口力學(xué)性能研究具有重要意義。Wham等[10]對(duì)DN150球墨鑄鐵管道接口進(jìn)行了覆土條件下軸向拉拔試驗(yàn)研究和無(wú)覆土條件下純彎曲試驗(yàn)研究,分析了管-土相互作用及管道接口彎曲力學(xué)性能,并且結(jié)合有限元數(shù)值分析,得出接口滲漏與加載路徑無(wú)關(guān)的結(jié)論。Singhal等[11]對(duì)帶有橡膠墊圈的球墨鑄鐵管分別開(kāi)展了軸向拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)性能試驗(yàn),建立了管道抗震性能和其承載力之間的相互關(guān)系,得出柔性鑄鐵管接口的結(jié)構(gòu)性能及軸向和彎曲剛度矩陣。Meis等[12]對(duì)供水管道中5種不同管材的8種常用接口進(jìn)行了靜力拉壓和動(dòng)力拉壓及彎曲試驗(yàn),研究了各種管道接口的變形和力-位移關(guān)系。Garcia等[13]、Rakitin等[14]對(duì)兩種管徑的混凝土管道承插式接口在覆土條件下進(jìn)行模擬車輪活荷載加載試驗(yàn),比較了不同管徑、埋深、荷載位置對(duì)接頭性能的影響,根據(jù)管道接口剪切位移與轉(zhuǎn)角結(jié)果,得出接口響應(yīng)受荷載的大小以及相對(duì)接口的位置影響,同時(shí)覆土深度對(duì)接口扭轉(zhuǎn)和剪切的影響較小。劉為民等[15]對(duì)國(guó)內(nèi)具有代表性的4種管道接口進(jìn)行了軸向拉伸和彎曲試驗(yàn),確定了管道接口的允許變形范圍并提出了各種管道接口的設(shè)計(jì)建議值。這些成果后被中國(guó)《室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》[16]采用。任雪振等[17]對(duì)3種管徑的球墨鑄鐵管道進(jìn)行了系列軸向拉拔和橫向彎曲的試驗(yàn)研究,分析了管內(nèi)水壓、管徑等因素對(duì)柔性接口的力學(xué)性能影響。此外,學(xué)者對(duì)球墨鑄鐵管道接口進(jìn)行5種偏心距拉伸試驗(yàn),得到偏心距越大,彎矩抗力峰值越大,以及對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角也越大。鐘紫藍(lán)等[18-19]針對(duì)墊襯法修復(fù)前后DN200和DN400型球墨鑄鐵管道進(jìn)行軸向拉伸和橫向彎曲試驗(yàn)研究,分析了修復(fù)后管道接口的軸向抗拔與橫向抗彎曲的力學(xué)性能與破壞模式,并建立了管道接口失效判定準(zhǔn)則,試驗(yàn)表明該方法能顯著提高接口的抗拉、抗彎承載力。Argyrou等[20-21]通過(guò)大型斷層試驗(yàn)研究了CIPP加固的管道柔性接口在地面發(fā)生瞬間變形下的脫粘、軸向伸長(zhǎng)和彎曲性能,并與數(shù)值模擬結(jié)果吻合良好,提供了真實(shí)度較高的數(shù)值模型。目前對(duì)于承插式管道接口的彎曲性能試驗(yàn)研究,一是大多在單調(diào)加載下進(jìn)行的,未能考慮如地震作用等往復(fù)荷載下管道接口力學(xué)性能變化規(guī)律,二是未考慮實(shí)際埋地管道的真實(shí)形態(tài),由于施工誤差及地層變形等因素,管道接口處存在初始的偏轉(zhuǎn)角及張開(kāi)量等影響,缺少分析在拉彎耦合作用下管道接口的力學(xué)性能和變形極限。

本研究針對(duì)DN150和DN200型球墨鑄鐵管道柔性承插式接口進(jìn)行系列擬靜力彎曲試驗(yàn),研究了不同加載形式以及軸向位移對(duì)管道接口彎曲力學(xué)性能與變形特征的影響,初步揭示了不同接口安裝深度比下管道承插式接口的破壞模式,并給出了基于不同拉彎組合形式下的管道接口彎曲破壞極限狀態(tài)量化判定指標(biāo)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)裝置及安裝

本試驗(yàn)主要針對(duì)目前城市供水系統(tǒng)中常用的球墨鑄鐵管道承插式接口開(kāi)展彎曲試驗(yàn)研究,其中加載方式分為單調(diào)加載和往復(fù)加載。研究對(duì)象為北京新興鑄鐵管有限公司生產(chǎn)的球墨鑄鐵管道,公稱直徑為150 mm和200 mm,密度為7 300 kg/m3,其中管道承插式接口由管道承口、管道插口與橡膠密封圈三部分組成,橡膠圈的材質(zhì)為三元乙丙橡膠,分別由邵氏硬度不同的硬膠和軟膠組成,其中,硬膠部分嵌入管道承口預(yù)制凹槽中起固定作用,而軟膠具有顯著高壓縮密封性,在管道插口安裝到位后發(fā)揮止水作用。圖1(a)、(b)分別為管道接口及橡膠圈尺寸。

圖1 承插式接口構(gòu)造示意(mm)

圖2為球墨鑄鐵管道承插式接口的受彎試驗(yàn)布置。試驗(yàn)裝置主要由作動(dòng)器、支座和加載橫梁組成,試驗(yàn)前先按標(biāo)準(zhǔn)施工要求對(duì)管道承插口進(jìn)行安裝,所有管道試件承插式接口的最初安裝深度以承口深度為準(zhǔn)。管道試件與試驗(yàn)裝置進(jìn)行安裝時(shí),先使用吊車將管道試件吊空于作動(dòng)器與支座之間,通過(guò)抱箍將管道試件與支座和加載橫梁連接,完成四點(diǎn)彎曲加載。管道承口與插口邊距150 mm處各環(huán)向均布4個(gè)應(yīng)變片,支座兩側(cè)對(duì)稱布置拉線位移計(jì),安裝完成后,通過(guò)注水口控制管道內(nèi)水壓強(qiáng)度,加壓至目標(biāo)水壓開(kāi)始進(jìn)行受彎試驗(yàn)。

圖2 球墨鑄鐵管道接口受彎試驗(yàn)

圖3 管道接口彎曲試驗(yàn)示意

1.2 試驗(yàn)方案

本研究將針對(duì)DN150和DN200型球墨鑄鐵承插式供水管道進(jìn)行受彎試驗(yàn),由于本文考慮不同安裝深度的對(duì)管道接口極限彎曲狀態(tài)的影響,而不同管徑的接口構(gòu)造存在差異,如DN150和DN200的承口深度分別為94 mm和100 mm,為便于統(tǒng)一化比較并總結(jié)規(guī)律,現(xiàn)將不同工況下接口的安裝深度與承口的構(gòu)造深度比,定義為安裝深度比λ。本試驗(yàn)采用位移控制進(jìn)行加載,加載方式分為兩種:1) 單調(diào)加載,加載速率為0.1 mm/s,即管道接口單向受彎直至發(fā)生嚴(yán)重漏水破壞;2) 往復(fù)加載,加載速率為0.5 mm/s,加載峰值見(jiàn)圖4,每個(gè)等級(jí)加載兩次,直至管道接口發(fā)生漏水破壞。

圖4 彎曲試驗(yàn)往復(fù)加載示意

試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)手壓泵控制管道內(nèi)水壓,每組試驗(yàn)加載結(jié)束,均更換全新橡膠密封圈再進(jìn)行下一組試驗(yàn)。具體試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

表1 承插式管道接口彎曲試驗(yàn)工況

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)《水及燃?xì)庥们蚰T鐵管、管件和附件》[22]中規(guī)定的管道接口處的允許偏轉(zhuǎn)角及允許滲流量大小將破壞狀態(tài)分為“正常使用極限狀態(tài)”與“承載力極限狀態(tài)”,“正常使用極限狀態(tài)”是指管道接口轉(zhuǎn)角達(dá)到設(shè)計(jì)允許偏轉(zhuǎn)角度,“承載力極限狀態(tài)”是指管道接口漏水程度已達(dá)規(guī)范允許滲水量或管道出現(xiàn)明顯損壞現(xiàn)象并無(wú)法繼續(xù)加載,其中規(guī)范滲流量Q按照可控流量1 L≈20 000滴換算為每秒的滲流量,并結(jié)合試驗(yàn)錄像記錄該破壞狀態(tài)下管道接口轉(zhuǎn)角,本試驗(yàn)均在管道接口達(dá)到承載力極限狀態(tài)后停止加載。

表2 球墨鑄鐵管道接口極限狀態(tài)規(guī)范限值

2.1 不同安裝深度對(duì)接口承載力極限狀態(tài)影響

圖5為管道接口處的彎曲試驗(yàn)結(jié)果處理示意,規(guī)定管道接口向下彎曲時(shí)的彎矩為正彎矩,向上則為負(fù)。通過(guò)結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算將作動(dòng)器的位移與軸力換算為管道接口處的轉(zhuǎn)角θ與彎矩M,具體可通過(guò)式(1)～(4)進(jìn)行換算:

(1)

(2)

(3)

θ=θ1+θ2

(4)

式中:F為作動(dòng)器施加的力,F/2為兩側(cè)支座的反力,D1、D2、D3和D4分別為支座兩側(cè)L1和L2對(duì)稱位置處拉線位移計(jì)測(cè)量值,θ1、θ2分別為兩根管段的試驗(yàn)轉(zhuǎn)角,θ為管道接口的轉(zhuǎn)角。

圖5 管道接口彎矩與轉(zhuǎn)角計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖6為不同安裝深度下管道接口彎曲力學(xué)性能曲線,接口安裝深度分別從45 mm增加至90 mm,由于管道內(nèi)壓對(duì)接口軸向張開(kāi)量存在一定影響,因此每組工況具體安裝深度以實(shí)際測(cè)量為準(zhǔn)。根據(jù)承插式接口安裝深度的不同,管道接口轉(zhuǎn)角-彎矩曲線大致分為3個(gè)階段:線性增長(zhǎng)階段、塑性發(fā)展階段和承載力極限破壞。

在圖6(a)中,當(dāng)管道接口轉(zhuǎn)角較小時(shí),轉(zhuǎn)角-彎矩曲線隨著角度的增大保持線性增長(zhǎng),當(dāng)DN150型管道接口安裝深度比λ在0.48～0.74范圍內(nèi),管道接口剛度緩慢增長(zhǎng),此時(shí)管道插口與承口臺(tái)肩未產(chǎn)生較大擠壓變形。當(dāng)λ在0.74～0.95間,隨著管道轉(zhuǎn)角不斷增大,插口與承口臺(tái)肩發(fā)生嚴(yán)重?cái)D壓變形并快速進(jìn)入塑性發(fā)展階段,同時(shí)接口彎矩也迅速增大,此時(shí)管道插口頂端與底端的局部應(yīng)力集中演化為橢圓形變,進(jìn)而無(wú)法滿足橡膠圈足夠的壓縮變形,提前發(fā)生承載力極限破壞。

圖6 不同安裝深度下管道接口轉(zhuǎn)角-彎矩曲線

圖6(b)為DN200型管道接口的轉(zhuǎn)角-彎矩關(guān)系曲線,當(dāng)安裝深度比λ在0.45～0.6時(shí),接口彎曲力學(xué)性能曲線規(guī)律大致類似DN150,接口抗彎剛度線性緩慢增加,管道插口未發(fā)生較大塑性變形。當(dāng)λ在0.65～0.85范圍內(nèi),此時(shí)插口受力于承口臺(tái)肩,接口開(kāi)始緩慢進(jìn)入塑性發(fā)展階段,但由于DN200管道接口截面慣性矩較大,λ為0.85時(shí),接口彎矩已達(dá)到17 kN·m,但管道插口仍未發(fā)生明顯塑性變形,而此時(shí)橡膠圈已嚴(yán)重壓縮破壞發(fā)生漏水,極限轉(zhuǎn)角也有所降低?？紤]到作動(dòng)器量程有限,未進(jìn)一步加載更深的安裝深度,但通過(guò)對(duì)DN150管道接口彎曲力學(xué)性能曲線分析,當(dāng)DN200管道在更嚴(yán)重荷載作用下,較深的安裝深度會(huì)導(dǎo)致管道承插口的塑性變形,提前發(fā)生屈曲、襯層脫落、滲漏等極限狀態(tài)破壞。

圖7 不同安裝深度下的接口極限彎曲狀態(tài)

圖8為兩種管徑的管道接口在不同安裝深度下的極限轉(zhuǎn)角對(duì)比,根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)散點(diǎn)進(jìn)行線性擬合,可將不同安裝深度下的極限轉(zhuǎn)角分為以下兩個(gè)階段:1)首先兩種管道接口存在最小安裝深度42 mm,當(dāng)安裝深度小于此值時(shí)接口無(wú)法發(fā)揮密封效果,直接出現(xiàn)漏水破壞。當(dāng)管道接口安裝深度比λ約在0.45～0.65范圍內(nèi),此時(shí)管道接口極限轉(zhuǎn)角隨著安裝深度的增加而增大,并在λ≈0.67時(shí)達(dá)到最大轉(zhuǎn)角,分別為15.9°和12.8°;2)當(dāng)λ在0.65～0.95范圍內(nèi),接口極限轉(zhuǎn)角并未隨著安裝深度的增加而增大,相反,此時(shí)管道插口由于較大彎矩作用發(fā)生塑性變形,橡膠圈已無(wú)法發(fā)揮密封作用,提前出現(xiàn)漏水破壞。本文從變形角度將規(guī)范設(shè)計(jì)允許偏轉(zhuǎn)角度定義為管道接口的“正常使用極限狀態(tài)”,而試驗(yàn)結(jié)果表明規(guī)范給出的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角5°(DN150)和 4°(DN200)均較為保守,合理的安裝深度比可將接口極限轉(zhuǎn)角增至規(guī)范限值的3倍左右。

圖9為DN150型管道承插式接口在單調(diào)加載下的縱向應(yīng)變分布,該工況的安裝深度為88 mm(λ=0.94),接口發(fā)生嚴(yán)重的屈曲變形。從圖9(a)得出,由于管道承口具有較大的剪切和抗彎剛度,加載完成后并未產(chǎn)生較大的變形,縱向應(yīng)變均處于彈性變形階段,承口內(nèi)壁只有少量水泥襯層脫落。而管道插口則出現(xiàn)不同程度的變形,圖9(b)中當(dāng)轉(zhuǎn)角在8.5°時(shí),插口頂端受彎開(kāi)始產(chǎn)生較大拉應(yīng)變,兩側(cè)輕微受壓,底端由于局部折彎產(chǎn)生較大殘余應(yīng)變,達(dá)到5.7×10-4。圖10為DN150管道加載結(jié)束后的承插口破壞形態(tài),此時(shí)插口水泥內(nèi)襯由于塑性大變形產(chǎn)生大量襯層脫落,損壞長(zhǎng)度已大于管徑的1/4,同時(shí)接口橢圓度達(dá)到4.2%,超出規(guī)范允許限值2%[22],而承口處除部分水泥襯層脫落外,橡膠密封圈也在較大壓力下產(chǎn)生永久塑性變形,并在與插口接觸的密封側(cè)發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞,嚴(yán)重影響其止水密封效果。

圖8 不同安裝深度下管道接口轉(zhuǎn)角限值

圖10 DN150管道承插口屈曲變形

2.2 往復(fù)加載對(duì)接口力學(xué)性能影響

圖11為往復(fù)彎曲作用下兩種管道接口轉(zhuǎn)角-彎矩曲線,對(duì)比了不同安裝深度對(duì)管道接口往復(fù)彎曲力學(xué)性能的影響。在圖11(a)中,當(dāng)DN150型管道安裝深度為94 mm(λ=1)時(shí),管道接口初始抗彎剛度便遠(yuǎn)大于深度為80 mm(λ=0.85)時(shí)的剛度,但隨著往復(fù)加載周期的增大,抗彎剛度出現(xiàn)明顯的退化,同時(shí)相同幅值的兩次加載也出現(xiàn)剛度差異,第二次加載下的接口極限彎矩較小些,而λ=0.85時(shí)的工況則未出現(xiàn)較明顯的剛度退化,分析原因有如下兩點(diǎn):一方面往復(fù)周期加載會(huì)使接口出現(xiàn)損傷累積,進(jìn)而導(dǎo)致抗彎剛度有所下降;另一方面由于安裝深度較大,管道插口出現(xiàn)塑性變形,第二次的同幅值加載便表現(xiàn)出略低的抗彎剛度。圖11(b)中將DN200型管道初始安裝深度調(diào)整至90 mm(λ=0.9),此時(shí)兩種工況下接口彎矩幅值相差較小,但在相同轉(zhuǎn)角情況下,加載前期正彎矩作用的接口彎矩較負(fù)彎矩下大,由于管件及管內(nèi)水的自重,接口向下彎曲需要更大的加載力,但后期轉(zhuǎn)角較大時(shí),此時(shí)加載力主要成分為承插接口的阻抗力,因此正負(fù)彎矩作用下接口的峰值彎矩相差較小。此外,兩種管徑的管道接口在單調(diào)加載下的彎曲試驗(yàn)結(jié)果曲線基本上外包往復(fù)加載下的試驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)而說(shuō)明不同的加載形式對(duì)管道接口的受彎力學(xué)性能影響較小。

圖11 往復(fù)彎曲作用下管道接口轉(zhuǎn)角-彎矩曲線

DN150和DN200型承插式管道接口的豎向有效抗彎剛度Ke可由式(5)計(jì)算:

(5)

式中Mp和θp分別為每一次加載周期內(nèi)管道接口的峰值彎矩和對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角。

圖12對(duì)比了兩種管道在不同安裝深度下的有效抗彎剛度,圖中包括了正向和負(fù)向彎矩下的有效抗彎剛度,上文分析了管道向下彎曲時(shí)的接口抗彎承載力較向上時(shí)略大,故圖中在相同轉(zhuǎn)角時(shí)的部分?jǐn)?shù)據(jù)散點(diǎn)有較大離散,如圖12(a)中安裝深度為94 mm(λ=1)時(shí),正彎矩作用下的Ke約為負(fù)彎矩下的1.5倍。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)散點(diǎn)進(jìn)行線性擬合,有效抗彎剛度基本大致隨著接口轉(zhuǎn)角增大呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì),但后期轉(zhuǎn)角較大時(shí),接口出現(xiàn)塑性變形及剛度退化,因此增長(zhǎng)幅度略微降低,并且后期相同加載峰值下的Ke也出現(xiàn)較大差異。

圖12 管道接口有效剛度

3 結(jié) 論

本文對(duì)DN150和DN200型球墨鑄鐵供水管道接口的彎曲性能進(jìn)行了研究,在水壓0.2 MPa情況下,考慮不同安裝深度比及加載形式對(duì)接口力學(xué)性能及變形特征的影響,給出了不同軸向位移和轉(zhuǎn)角組合模式下管道接口的破壞閾值包絡(luò)線,并對(duì)接頭破壞形態(tài)進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論:

1)根據(jù)承插式接口不同的初始張開(kāi)量,管道接口轉(zhuǎn)角-彎矩曲線大致分為3個(gè)階段:線性增長(zhǎng)階段、塑性發(fā)展階段和承載力極限破壞。當(dāng)接口安裝深度比λ在0.67左右時(shí),管道可承受最大轉(zhuǎn)角,DN150和DN200管道可分別承受15.9°和12.8°,為規(guī)范允許轉(zhuǎn)角的3倍左右;當(dāng)接口安裝較深時(shí),即λ在0.8～1.0范圍內(nèi),插口在彎曲時(shí)出現(xiàn)塑性屈曲,提前發(fā)生漏水破壞。

2)當(dāng)安裝深度相同時(shí),單調(diào)加載和往復(fù)加載對(duì)承插式管道接口的力學(xué)性能影響較小,單調(diào)加載曲線略外包往復(fù)加載曲線;當(dāng)安裝深度有差異時(shí),安裝較深時(shí)管道接口有效抗彎剛度較高,并隨著轉(zhuǎn)角增大呈線性增長(zhǎng),但在相同加載峰值中,第二次加載時(shí)管道接口剛度退化較為顯著。

3)管道插口發(fā)生屈曲破壞時(shí),管頂和管底軸向受拉變形,兩側(cè)輕微受壓,其中管底產(chǎn)生較大殘余應(yīng)變,約為5.7×10-4, 此時(shí)接口橢圓度已達(dá)4.2%。