曹志杰

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海 200092)

鋼頂管的發(fā)展具有悠久的歷史,現(xiàn)代社會(huì)最早關(guān)于頂管技術(shù)記載的工程是在1896年—1900年間為美國(guó)北太平洋鐵路公司敷設(shè)的穿越鐵路的鑄鐵管。從20世紀(jì)50年代起,英國(guó)、法國(guó)、日本、德國(guó)等國(guó)家相繼采用了鋼管頂管施工技術(shù),日本在60年代以后大力發(fā)展了現(xiàn)代化的頂管技術(shù),如長(zhǎng)距離頂進(jìn)時(shí)采用中繼間等。我國(guó)頂管施工法的起步略晚于西方發(fā)達(dá)國(guó)家,初期發(fā)展緩慢,近30年間發(fā)展速度很快。我國(guó)最早在1953年,北京運(yùn)用手掘式頂管技術(shù)(內(nèi)徑1.2 m)穿越了京包鐵路,開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)應(yīng)用頂管技術(shù)的歷史[1]。近10多年來(lái),我國(guó)完成了多項(xiàng)大口徑長(zhǎng)距離鋼頂管工程,詳見(jiàn)表1。

表1 近年來(lái)長(zhǎng)距離鋼頂管工程主要案例

從上述案例可以看出,大部分長(zhǎng)距離鋼頂管采用了Q235B鋼材,近年來(lái)才有個(gè)別工程開(kāi)始采用了Q355B鋼材。

1 Q235和Q355鋼管材料比較

Q235B鋼材屬于碳素結(jié)構(gòu)鋼,鋼號(hào)冠以“Q”,代表鋼材的屈服點(diǎn),B表示質(zhì)量等級(jí)。Q355B鋼材屬于低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼,新修訂后的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1591—2018低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼已于2019年2月實(shí)施,用Q355B鋼材取代了Q345B鋼材,由此,我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)全面進(jìn)入高強(qiáng)鋼焊接時(shí)代,這也是我國(guó)鋼材與國(guó)際接軌的重大舉措[2],Q235B和Q355鋼材成分和性能比較見(jiàn)表2。

表2 Q235B和Q355B鋼材成分和性能比較表[3-4]

從表2可以看出,這兩種鋼材化學(xué)成分和物理力學(xué)性質(zhì)明顯不同,主要體現(xiàn)在:

1)屈服強(qiáng)度有明顯不同:Q235的屈服強(qiáng)度下限為235 MPa。Q355的屈服強(qiáng)度下限為345 MPa。Q355比Q235鋼材強(qiáng)度高。但是,隨著材質(zhì)厚度的增加,它們的屈服值都會(huì)減小。

2)兩者化學(xué)成分不同:Q355鋼中含有少量合金元素。由于合金元素的作用,低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼屈服強(qiáng)度比相同含碳量的碳素結(jié)構(gòu)鋼高25%～150%,用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼代替碳素結(jié)構(gòu)鋼使用,可以減輕結(jié)構(gòu)自重,節(jié)約金屬材料并延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命。

3)兩者焊接性能不同:Q235鋼板由于回火穩(wěn)定性差,碳鋼在進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理時(shí),為了保證較高的強(qiáng)度需采用較低的回火溫度,這樣鋼的韌性就偏低;為了保證較好的韌性,采用高的回火溫度時(shí)強(qiáng)度又偏低,所以碳鋼的綜合機(jī)械性能水平不高。Q355鋼不用預(yù)熱也不需緩冷,但厚度大于30 mm時(shí)需預(yù)熱100°～150°左右,一般用J507就可以焊,如果韌性好些的話,也可以建議用J507RH。

4)兩者價(jià)格不同:價(jià)格上Q355稍貴點(diǎn),價(jià)格相差3%～8%,所以,選用時(shí)可從以上幾點(diǎn)綜合考慮。如果設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是強(qiáng)度控制,可考慮采用Q355,因?yàn)镼355比Q235鋼材強(qiáng)度高,省材料,比235省15%～20%;如果是穩(wěn)定性控制,可考慮采用Q235。

2 鋼頂管結(jié)構(gòu)分析

2.1 工程概況

根據(jù)排海管線路設(shè)計(jì),本工程鋼管口徑為DN2 200,頂進(jìn)距離為2 600 m,鋼管最大覆土為20 m,地下水位取-0.5 m,頂管基本位于第⑤1層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層,管頂覆土的內(nèi)摩擦角取為Φ=20.75°(管頂土的加權(quán)平均值),管頂覆土的黏聚力C=8 kN/m2(取管頂土的最小值),管周原狀土的變形模量Ed=3.5 N/mm2, 管道閉合溫差ΔT=20°,管道工作內(nèi)水壓力標(biāo)準(zhǔn)值Fwk=0.2 MPa,管道真空壓力標(biāo)準(zhǔn)值Fzk=0.02 MPa。地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 地質(zhì)參數(shù)表

2.2 計(jì)算公式

計(jì)算采用GB 50332—2002給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范選用理論,該理論認(rèn)為管體的受力條件類似于“溝埋式”敷管,管頂覆土的變形大于兩側(cè)土體的變形,管頂土體重量將通過(guò)剪力傳遞擴(kuò)散給管兩側(cè)土體,據(jù)此給出折算強(qiáng)度的計(jì)算公式,詳見(jiàn)式(1):

(1)

其中,σθ為鋼管管壁橫截面最大環(huán)向應(yīng)力,N/mm2;σx為鋼管管壁縱向應(yīng)力,N/mm2;σ為鋼管管壁的最大折算應(yīng)力,N/mm2;η為應(yīng)力折減系數(shù),可取0.9;f為鋼管鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,N/mm2。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)上述條件,曲率半徑按R1=3 125 m,取不同鋼管計(jì)算壁厚(t=18 mm,20 mm,22 mm,24 mm,26 mm,28 mm),計(jì)算得到最大折算應(yīng)力和變形百分率(見(jiàn)圖1,圖2)。

從圖1,圖2可以看出,覆土20 m條件下,鋼管的應(yīng)力和變形均比覆土10 m條件下計(jì)算結(jié)果大,總體上,隨著壁厚增加,最大折算應(yīng)力和變形減小,但是應(yīng)力減小的幅度不大,所以從經(jīng)濟(jì)上看,不推薦通過(guò)增大壁厚來(lái)減小鋼管應(yīng)力。從計(jì)算結(jié)果看,如果采用Q235鋼材(強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為205 N/mm2),壁厚需要28 mm才能滿足強(qiáng)度要求,采用Q355(強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為295 N/mm2)的話,壁厚18 mm～28 mm均滿足強(qiáng)度要求,考慮到超長(zhǎng)距離頂管的頂力和糾偏不確定性,對(duì)Q235(壁厚28 mm)和Q355(壁厚24 mm)進(jìn)行比較(見(jiàn)表4)。

表4 鋼管內(nèi)力變形和穩(wěn)定計(jì)算表

從表4計(jì)算結(jié)果可以看出,如果采用Q235B,鋼管截面的折算應(yīng)力都偏大,不能滿足規(guī)范要求。采用Q355鋼材能有效提高截面強(qiáng)度安全系數(shù)和穩(wěn)定安全系數(shù),壁厚可以減薄,具有一定的經(jīng)濟(jì)性。

3 超長(zhǎng)距離排海管反復(fù)頂力分析

頂管在千斤頂周而復(fù)始的頂力作用下持續(xù)前進(jìn),隨著頂管距離的增加,這種反復(fù)頂力作用的次數(shù)也相應(yīng)增加,那么這種反復(fù)荷載作用是否會(huì)引起鋼管結(jié)構(gòu)的疲勞作用呢。

規(guī)范對(duì)鋼頂管按照靜止荷載計(jì)算鋼管截面應(yīng)力,考慮鋼管環(huán)向應(yīng)力、縱向頂力、縱向彎曲以及閉合溫差的影響,未考慮頂力作用。實(shí)際上鋼頂管在頂進(jìn)施工時(shí),處于頂進(jìn)油缸推力、管外側(cè)土摩擦力和工具頭頂面壓力的擠壓中;而在管道吊裝和焊接過(guò)程中,井內(nèi)油缸頂力釋放,鋼管處于土摩擦力和工具頭頂面壓力的共同作用。這兩種受力狀態(tài)每個(gè)千斤頂行程重復(fù)一次,所以鋼管實(shí)際處于反復(fù)荷載作用下,考慮頂管實(shí)際推進(jìn)速度比較緩慢,可以近似看做是靜力作用。

頂管頂進(jìn)工況見(jiàn)圖3,頂管吊裝焊接工況見(jiàn)圖4。

根據(jù)上圖考慮縱向受力平衡,對(duì)頂管頂進(jìn)工況由式(2)—式(4)計(jì)算:

F0=πD1Lifk+Nf

(2)

Fx=Nf+πD1xfk

(3)

(4)

對(duì)頂管吊裝焊接工況由式(5)—式(7)計(jì)算:

(5)

fx′=πD1(Li-x)fk′

(6)

(7)

其中,F0為頂管頂力,kN;fk為頂管管周側(cè)摩阻力,kN/m2;Nf為頂管工具管端面阻力,kN;Li為頂管當(dāng)前頂進(jìn)長(zhǎng)度,m;x為計(jì)算點(diǎn)距離頂管工具管距離,m;Fx為頂進(jìn)工況計(jì)算點(diǎn)軸力,kN;Fx′為吊裝焊接工況計(jì)算點(diǎn)軸力,kN;σx為頂進(jìn)工況計(jì)算點(diǎn)應(yīng)力,N/mm2;σx′為吊裝焊接工況計(jì)算點(diǎn)應(yīng)力,N/mm2。

整個(gè)頂管長(zhǎng)度為2 600 m,主頂千斤頂最大行程為1.5 m,反復(fù)荷載的次數(shù)跟管材所在位置(這里計(jì)作x)有關(guān),假定千斤頂平均行程為1.2 m,則反復(fù)荷載作用不超過(guò)2 600/1.2=2 167次。這里取x=100 m(Li=100 m,600 m,1 100 m,1 600 m,2 100 m,2 600 m,)和x=2 500 m(Li=2 500 m,2 510 m,2 520 m,2 530 m,2 540 m,2 550 m)兩個(gè)點(diǎn)討論,前者位于頂管開(kāi)始階段,頂進(jìn)距離較短;后者位于頂管結(jié)束階段,已頂進(jìn)距離較長(zhǎng)。通過(guò)計(jì)算可以得到結(jié)果如圖5,圖6所示。

從圖5和圖6中可以看出,位于頂管線路前端的鋼管(如x=100 m)應(yīng)力水平比較小,頂進(jìn)工況的應(yīng)力保持不變,接管工況的應(yīng)力隨著頂管進(jìn)程逐漸增加,但是增加的幅度很小。位于頂管線路尾端的鋼管(如x=2 500 m)應(yīng)力水平較高,頂進(jìn)工況的應(yīng)力保持不變,接管工況的應(yīng)力隨著頂管進(jìn)程逐漸增加,但是增加的幅度很小。

x=100 m處的應(yīng)力計(jì)算表格見(jiàn)表5,x=2 500 m處的應(yīng)力計(jì)算表格見(jiàn)表6。

表5 x=100 m處的應(yīng)力計(jì)算表格

表6 x=2 500 m處的應(yīng)力計(jì)算表格

根據(jù)表5,表6可以看出,處于頂管前端的管節(jié),頂力造成的應(yīng)力變化幅度較小,比如x=100 m處,σmax-σmin=17.60 N/mm2,頻次相對(duì)較多(2 083次);而位于頂管尾段的管節(jié),頂力造成的應(yīng)力變化幅度較大,比如x=2 500 m處,σmax-σmin=294.52 N/mm2,但頻次相對(duì)較多(83次)。根據(jù)GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)重復(fù)次數(shù)少于50 000次,可不進(jìn)行疲勞計(jì)算。為了更好地反映頂管應(yīng)力變化、計(jì)算點(diǎn)位置和作用 頻次的關(guān)系,取不同計(jì)算點(diǎn)位置x=50 m,300 m,550 m,800 m,1 050 m,1 300 m,1 550 m,1 800 m,2 050 m,2 300 m,2 550 m,計(jì)算其應(yīng)力變幅度和作用頻次,詳見(jiàn)圖7。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合2 600 m超長(zhǎng)距離排海管頂管實(shí)例,分析了超長(zhǎng)距離鋼頂管材料選擇和反復(fù)荷載下頂管內(nèi)力,得出主要結(jié)論如下:

1)過(guò)去一些超長(zhǎng)距離頂管案例中,大部分長(zhǎng)距離鋼頂管采用了Q235B鋼材,近年來(lái)才有個(gè)別工程開(kāi)始采用Q355B鋼材。

2)在覆土較深的長(zhǎng)距離排海管中,壁厚往往是管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度控制,這種情況下選用Q355更合理。

3)頂管管材處于反復(fù)荷載作用下,頂管線路前端的管節(jié)應(yīng)力變化水平比較低,頂管線路尾端的管節(jié)應(yīng)力變化水平較高,但是總體頻次不高,可考慮疲勞作用。