宋 濤

(新疆昌吉方匯水電設(shè)計(jì)有限公司,新疆 昌吉 831100)

0 引言

引水管道乃是水利灌渠工程中常見(jiàn)的水工設(shè)施[1-2],針對(duì)水利管道開(kāi)展設(shè)計(jì)研究,有助于推動(dòng)水工設(shè)計(jì)水平與輸供水工程運(yùn)營(yíng)效率。管道結(jié)構(gòu)不僅與其自身穩(wěn)定性有關(guān),與周遭巖土層、上覆土體等均有密切關(guān)聯(lián)性[3],故而綜合性探討管道結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力場(chǎng)特征更利于工程設(shè)計(jì)對(duì)比。董航凱[4]、張磊等[5]為研究輸、引水管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性,從室內(nèi)試驗(yàn)角度,設(shè)計(jì)管道常規(guī)力學(xué)、蠕變力學(xué)試驗(yàn),探討管道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性與設(shè)計(jì)工藝參數(shù)關(guān)系,為實(shí)際工程建設(shè)及設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了依據(jù)。趙廷紅等[6]從有限元模擬方法入手,通過(guò)對(duì)管道結(jié)構(gòu)建立數(shù)值模型,探討不同設(shè)計(jì)參數(shù)下管道位移、軸向應(yīng)力與變形等影響特性,評(píng)價(jià)管道最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)。也有徐雯雯等[7]、杜燕[8]以輸供水、引水工程為背景,探討了管道施工工藝與管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)聯(lián)性,為管道在水利工程中應(yīng)用設(shè)計(jì)提供了推廣參考。不僅于此,管道結(jié)構(gòu)在一些地震斷裂帶工程環(huán)境下,也許考慮其地震動(dòng)力響應(yīng)特征,張博等[9]、任森[10]采用地震波反應(yīng)譜疊加、分解等方法,研究了管道結(jié)構(gòu)等在動(dòng)力荷載下響應(yīng)特征,為管道結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 研究方法

1.1 工程概況

頭屯河乃是昌吉地區(qū)重要輸水通道,也是昌吉地區(qū)草林田湖重要綠色生態(tài)體系組成部分。為提高頭屯河綠色生態(tài)水與灌溉用水的干渠分流,建設(shè)有頭屯河堤防明、暗渠工程。全明渠采用現(xiàn)澆混凝土作為襯砌結(jié)構(gòu),渠坡坡降為1/1.5,渠底寬度為570 mm,并鋪設(shè)有厚度為80 mm的復(fù)合土工膜與砂墊層,渠底深度為1.28 m,明渠渠坡全斷面上均鋪設(shè)有混凝土硬化層,厚度為400 mm,主要面向于地表輸水作用。頭屯河部分河段涵洞建設(shè)現(xiàn)狀如圖1所示,由于洞室內(nèi)存在部分沉降區(qū)域,埋設(shè)的輸水管道同樣需要進(jìn)行襯砌設(shè)計(jì),如圖2所示。從設(shè)計(jì)方案優(yōu)化考慮,新建暗渠管道內(nèi)徑分布在1.4～3 m,不同的管道內(nèi)徑對(duì)上覆土層路面結(jié)構(gòu)、下覆土基等,均有相應(yīng)的靜、動(dòng)力響應(yīng),確保暗渠內(nèi)輸水管道的設(shè)計(jì)參數(shù)與地基、自身結(jié)構(gòu)等相匹配,有助于暗渠內(nèi)管道輸水安全。為此,設(shè)計(jì)部門(mén)從暗渠引水管道內(nèi)徑參數(shù)設(shè)計(jì)出發(fā),重點(diǎn)分析暗渠內(nèi)管道結(jié)構(gòu)、土基等影響變化,評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案的利弊性。

圖1 涵洞建設(shè)現(xiàn)狀 圖2 管道襯砌結(jié)構(gòu)幾何示意

1.2 設(shè)計(jì)仿真

為分析涵洞輸水管道內(nèi)徑參數(shù)設(shè)計(jì)合理性,采用ABAQUS仿真平臺(tái)對(duì)暗渠管道進(jìn)行建模,圖3為所建立的玻璃鋼夾砂管數(shù)值模型。該模型在建立時(shí),考慮管道內(nèi)徑遠(yuǎn)超過(guò)管壁厚度,故模型采用三層復(fù)合材料,微單元為殼單元,具有多個(gè)維度受力變形特征。管道內(nèi)壁結(jié)構(gòu)具有夾砂層、內(nèi)襯層以及保護(hù)層等,均為復(fù)合殼單元,以不同的物理力學(xué)參數(shù)來(lái)區(qū)別模型單元的差異性。本模型中夾砂層、內(nèi)襯層以及保護(hù)層的彈性模量分別設(shè)定為6.4 GPa、38 GPa、70 GPa,全模型微單元網(wǎng)格共有98 282個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)76 254個(gè)。

圖3 玻璃鋼夾砂管數(shù)值模型

不僅如此,暗渠管道上覆土層也是分析重點(diǎn),故而在考慮路面結(jié)構(gòu)的前提下,建立圖4(a)所示上覆結(jié)構(gòu)模型,該模型中巖土物理力學(xué)參數(shù)以室內(nèi)實(shí)測(cè)取值,而表面假定為硬化瀝青路面,其結(jié)構(gòu)層微單元彈性模量為1.8 GPa。結(jié)合上覆土層路面結(jié)構(gòu)模型,下沉路基采用四面體巖土物理模型構(gòu)件,深度為管底下方10 m范圍,使之建立起樁號(hào)7+325處暗渠輸水管道整體模型,如圖4(b)所示。模型中上覆路面結(jié)構(gòu)與輸水管道的接觸面設(shè)定為主從附屬關(guān)系,前者為主面,后者為從面;而輸水管道與下方土基、周邊巖土層的接觸亦為主從面關(guān)系,但主面為管道。外荷載包括有上覆路面結(jié)構(gòu)承重荷載、有水工況時(shí)靜水壓力、管道結(jié)構(gòu)自身重力等,管道結(jié)構(gòu)靜力場(chǎng)特征計(jì)算時(shí)上覆路面荷載以單輛車(chē)載進(jìn)行分析,靜水壓力考慮水深為0.5 m。模型中邊界條件分別設(shè)定在圖4(b)的頂、底面處,分別具有但水平向自由度與全約束的定義邊界。地震動(dòng)響應(yīng)特征下外荷載以EI Centro地震波開(kāi)展計(jì)算,圖5為該地震波0～8 s內(nèi)時(shí)程譜,采用擬靜力法進(jìn)行疊加荷載,計(jì)算管道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特征。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型

圖5 加速度時(shí)程譜

從頭屯河道暗渠現(xiàn)狀考慮,管道內(nèi)徑應(yīng)不超過(guò)2.8 m,故設(shè)定管道內(nèi)徑方案階次為0.3 m,共設(shè)計(jì)有1.4～2.9 m六個(gè)方案,在各方案中僅改變管道內(nèi)徑參數(shù),方案模型其他參數(shù)均保持一致,對(duì)管道結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力場(chǎng)特征進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。

2 內(nèi)徑參數(shù)對(duì)管道靜力特征影響

2.1 管道受力特征

根據(jù)對(duì)不同內(nèi)徑參數(shù)下管道結(jié)構(gòu)的靜力特征計(jì)算,獲得內(nèi)徑參數(shù)與管道軸、環(huán)向應(yīng)力變化關(guān)系,且分別給出了各向上最大拉、壓應(yīng)力變化,如圖6所示。

從圖中可知,不論是拉應(yīng)力或是壓應(yīng)力,均以管道環(huán)向應(yīng)力值最高,其拉應(yīng)力分布為3.14～8.7 MPa,而軸向上最大拉應(yīng)力在各方案中與之差幅分布為56.2%～68.5%,在各設(shè)計(jì)方案中軸、環(huán)向最大拉應(yīng)力位于內(nèi)徑1.4 m、2.3 m方案下,差幅分別達(dá)56.2%、68.5%,而在管道內(nèi)徑超過(guò)2.3 m時(shí),管道軸向上拉應(yīng)力處于較穩(wěn)定。軸、環(huán)向壓應(yīng)力差幅分布為70%～80.2%,且當(dāng)管道內(nèi)徑愈大,兩向上壓應(yīng)力差幅愈大,由此可知,管道內(nèi)徑愈大,對(duì)結(jié)構(gòu)軸、環(huán)向上應(yīng)力平衡愈不利。

進(jìn)一步分析拉、壓應(yīng)力在管道內(nèi)徑參數(shù)各方案中變化特征可知,管道內(nèi)徑增大,軸、環(huán)向上壓應(yīng)力均為遞增,但增幅以環(huán)向最為顯著,內(nèi)徑2 m、2.9 m方案下管道環(huán)向最大壓應(yīng)力較之內(nèi)徑1.4 m下分別具有增幅15.7%、78.6%,而管道軸向壓應(yīng)力在此對(duì)比過(guò)程中的增幅僅為8.5%、38.6%。當(dāng)管道內(nèi)徑每階次增大0.3 m,可引起管道軸、環(huán)向最大壓應(yīng)力分別增長(zhǎng)6.5%、12.9%。分析認(rèn)為,管道環(huán)向壓應(yīng)力受內(nèi)徑參數(shù)影響愈為敏感。從拉應(yīng)力變化可知,其受管道內(nèi)徑參數(shù)影響變化與壓應(yīng)力相反,兩者為負(fù)相關(guān)特性,但管道軸向拉應(yīng)力在內(nèi)徑2.3 m后穩(wěn)定在1.2 MPa,受內(nèi)徑參數(shù)改變影響較弱。管道環(huán)向最大拉應(yīng)力隨內(nèi)徑參數(shù)變化,降幅在減小,如在管道內(nèi)徑1.4～2.3 m階次區(qū)間內(nèi),方案間內(nèi)徑0.3 m的變化,可引起管道環(huán)向最大拉應(yīng)力減少23.7%,而在管道內(nèi)徑超過(guò)2.3 m后,方案間拉應(yīng)力最大降幅僅為9.2%,平均降幅為7.5%。綜合分析可知,管道內(nèi)徑參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響具有區(qū)間差異性,控制管道內(nèi)徑參數(shù)在合理區(qū)間即可,如本文計(jì)算結(jié)果表明內(nèi)徑超過(guò)2.3 m較為不適宜。

圖6 管道軸、環(huán)向應(yīng)力變化特征

圖7為內(nèi)徑2.3 m方案下管道軸、環(huán)向應(yīng)力分布特征。從圖中可知,在該方案下軸、環(huán)向拉應(yīng)力均未超過(guò)4 MPa,而最大壓應(yīng)力亦未超過(guò)10 MPa,拉應(yīng)力分布區(qū)位于管道內(nèi)側(cè)邊緣,分布區(qū)域較小,整體上該方案應(yīng)力分布狀態(tài)較合理。

圖7 內(nèi)徑2.3 m下管道應(yīng)力分布特征

2.2 管道變形特性

從靜力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果中可提取獲得管道結(jié)構(gòu)水平、徑向上位移特征,如圖8所示。分析圖中位移特征可知,管道結(jié)構(gòu)水平、徑向位移與管道內(nèi)徑參數(shù)分別呈正、負(fù)相關(guān)特征。當(dāng)管道內(nèi)徑為1.4 m時(shí),水平、徑向位移分別為4.2 mm、5.4 mm,而內(nèi)徑為2 m、2.6 m、2.9 m時(shí)水平位移較前者分別增長(zhǎng)了55.2%、89.7%、90.6%,而徑向位移較之分別具有降幅36.5%、53.2%、53.6%。從位移的變幅可知,當(dāng)內(nèi)徑參數(shù)低于2.3 m時(shí),水平位移的增幅以及徑向位移的降幅均處于較高,而內(nèi)徑參數(shù)超過(guò)2.3 m后,兩向位移變幅均處于減弱態(tài)勢(shì)。從具體變幅計(jì)算可知,在低于2.3 m時(shí),內(nèi)徑方案間0.3 m的變化,分別可導(dǎo)致管道結(jié)構(gòu)水平、徑向位移分別增長(zhǎng)22.2%與減少21.8%;而在內(nèi)徑超過(guò)2.3 m后,兩向位移的變幅分別為2.3%、3.4%。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性考慮,不論是水平或是徑向,位移值過(guò)高,均不利于結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定,而控制內(nèi)徑參數(shù)在2.3 m時(shí),兩向位移值均較合理,管道靜力安全性較優(yōu)。

圖8 管道結(jié)構(gòu)水平、徑向上位移特征

圖9 不同管道內(nèi)徑下結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)特征

3 內(nèi)徑參數(shù)對(duì)管道動(dòng)力響應(yīng)影響

根據(jù)對(duì)管道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特征計(jì)算,獲得了不同幅值地震波動(dòng)荷載下各管道內(nèi)徑方案下結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)特征,如圖9所示。

分析加速度響應(yīng)特征可知,在不同幅值地震波動(dòng)荷載下,加速度響應(yīng)值隨管道內(nèi)徑均為遞增變化,如在幅值0.1 g地震波工況中,內(nèi)徑2 m、2.3 m、2.9 m方案下加速度響應(yīng)值較之內(nèi)徑1.4 m下分別增長(zhǎng)了16.6%、22.2%、127.4%,每階次管道內(nèi)徑下,可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)值增長(zhǎng)14.7%,當(dāng)?shù)卣鸩ǚ翟龃笾?.2 g后,結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)值隨管道內(nèi)徑參數(shù)變化的增幅為18.8%,即地震波幅值愈大,則管道動(dòng)力響應(yīng)特征受內(nèi)徑參數(shù)影響愈為敏感。從管道結(jié)構(gòu)加速度變化與管道內(nèi)徑參數(shù)關(guān)聯(lián)性可知,不論地震波幅值高或低,結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)值的變化均具有“雙增幅”特性,即前、后增幅段有所差異。在地震波幅值0.15 g下,當(dāng)管道內(nèi)徑低于2.3 m時(shí),結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)值增幅較穩(wěn)定,平均增幅為9.2%,在管道內(nèi)徑2.3 m下加速度響應(yīng)值為0.54 m/s2;而在內(nèi)徑為2.6 m、2.9 m時(shí),結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)值的平均增幅可達(dá)30.5%、78.4%,結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)能量較大[11]。而在其他地震波幅值下,均是如此,在管道內(nèi)徑2.3 m前、后具有增幅變化特點(diǎn)。綜合結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特征可知,管道內(nèi)徑在2.3 m時(shí),結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特征處于較可控狀態(tài),當(dāng)超過(guò)2.3 m,結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)處于較危險(xiǎn)狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)管道環(huán)向拉、壓應(yīng)力值均為最高;當(dāng)管道內(nèi)徑愈大,軸、環(huán)向上壓應(yīng)力差幅愈大;管道內(nèi)徑增大,軸、環(huán)向上壓應(yīng)力均為遞增,但以環(huán)向增幅最顯著;管道軸、環(huán)向拉應(yīng)力受內(nèi)徑參數(shù)影響與壓應(yīng)力相反,且環(huán)向拉應(yīng)力在內(nèi)徑參數(shù)2.3 m后降幅減小,軸向拉應(yīng)力在此之后穩(wěn)定在1.2 MPa。

(2)管道結(jié)構(gòu)水平、徑向位移與管道內(nèi)徑參數(shù)分別呈正、負(fù)相關(guān)特征;且變幅在內(nèi)徑2.3 m后均為減弱;在低于2.3 m時(shí),內(nèi)徑方案0.3 m的變化,分別可導(dǎo)致管道水平、徑向位移分別增長(zhǎng)22.2%與減少21.8%;而超過(guò)2.3 m后,變幅分別為2.3%、3.4%;內(nèi)徑2.3 m方案下管道軸、環(huán)向應(yīng)力分布較合理,最大拉、壓應(yīng)力值均滿足設(shè)計(jì)安全要求。

(3)加速度響應(yīng)值隨管道內(nèi)徑均為遞增變化,且地震波幅值愈高,則加速度響應(yīng)值受內(nèi)徑參數(shù)影響愈敏感;每個(gè)地震波幅值工況下,結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)值在內(nèi)徑2.3 m處具有“雙增幅”特性,在該方案后加速度響應(yīng)值增幅較大,抗震設(shè)計(jì)較危險(xiǎn)。

(4)綜合考慮,認(rèn)為管道內(nèi)徑2.3 m設(shè)計(jì)方案更為合理。