李錦狀

摘要：探究球墨鑄鐵供水管道接口受力變形敏感性，對(duì)確保供水系統(tǒng)的正常運(yùn)行，減少水資源浪費(fèi)和土壤污染至關(guān)重要。依托塞內(nèi)加爾供水項(xiàng)目，采用數(shù)值模擬方法建立球墨鑄鐵供水管道有限元模型，在驗(yàn)證數(shù)值模擬數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)上，對(duì)不同管道壁厚、管道直徑對(duì)管道承管和插管豎向位移及極限轉(zhuǎn)角響應(yīng)的影響開(kāi)展研究。結(jié)果表明，增大管道壁厚和管道直徑能夠降低承管及插管的豎向位移，其中，管道直徑對(duì)豎向位移的影響更加顯著，管道直徑由200mm增加至300mm，插管和承管豎向位移的降低幅度分別為37.33%和38.28%；管道直徑越大，其極限轉(zhuǎn)角越小，改變管道壁厚對(duì)極限轉(zhuǎn)角的影響不明顯。

關(guān)鍵詞：球墨鑄鐵供水管道；管道接口；受力變形；敏感性

0? ?引言

供水管道是城市基礎(chǔ)設(shè)施中至關(guān)重要的組成部分，承擔(dān)著輸送和分配清潔飲用水的任務(wù)[1]。球墨鑄鐵是一種常用于供水管道的材料，因其具有優(yōu)異的機(jī)械性能和耐腐蝕特性而備受青睞。球墨鑄鐵供水管道的接口部分是其結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，常受到振動(dòng)、溫度變化、土壤運(yùn)動(dòng)等多種外部因素的影響[2]，導(dǎo)致接口受力情況發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致管道出現(xiàn)滲漏、破裂或損壞，這不僅會(huì)影響供水系統(tǒng)的正常運(yùn)行，還可能對(duì)環(huán)境和公共健康造成嚴(yán)重威脅[3]。

目前，已經(jīng)有多位學(xué)者對(duì)供水管道受力變形開(kāi)展了相關(guān)研究，王永強(qiáng)等[4]分析了埋地天然氣管道在重型車(chē)輛荷載下的受力情況，研究綜合了理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)檢測(cè)方法，提供了可靠的安全評(píng)價(jià)方法。李新亮等[5]使用線彈性力學(xué)理論，將埋地管道在交通荷載下的靜力計(jì)算問(wèn)題分解為三個(gè)部分，研究了輪壓、管道埋深、距離、相對(duì)剛度和土壤特性等參數(shù)對(duì)管道力學(xué)性狀的影響。董冬冬等[6]以管道工程中廣泛采用的HDPE管道為研究對(duì)象，基于現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，研究了交通荷載作用下埋地HDPE管道附加彎矩的影響因素及變化規(guī)律。

在現(xiàn)有研究中，針對(duì)球墨鑄鐵供水管道接口受力變形敏感性研究相對(duì)較少，鑒于此，本研究依托塞內(nèi)加爾供水項(xiàng)目，采用數(shù)值模擬方法對(duì)管道壁厚及管徑對(duì)管道接口受力變形的影響開(kāi)展研究，研究結(jié)果可為城市供水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和可持續(xù)發(fā)展提供重要支持。

1? ?工程概況

本文基于塞內(nèi)加爾供水項(xiàng)目，項(xiàng)目分部于首都達(dá)喀爾，呂菲斯克市區(qū)，杰斯市區(qū)北部的梅黑城區(qū)，為保障居民的飲用水供應(yīng)，需要大量的引水輸水設(shè)施建設(shè)。項(xiàng)目包含96km直徑200～1500mm球墨鑄鐵管道的安裝，及357座閥門(mén)井室的施工，施工區(qū)域穿越道路、建筑及鐵路等區(qū)域，施工難度及施工風(fēng)險(xiǎn)較大，且對(duì)施工質(zhì)量要求較高，在此背景下，探究球墨鑄鐵供水管道接口變形對(duì)保證施工質(zhì)量確保供水系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

2? ?數(shù)值模型與材料參數(shù)

基于試驗(yàn)承管及插管實(shí)際尺寸建立三維有限元數(shù)值模型，承管及插管的有效長(zhǎng)度分別為900mm和978mm。采用AutoCAD軟件繪制承管及插管二維草圖，將草圖導(dǎo)入數(shù)值模擬軟件，通過(guò)旋轉(zhuǎn)拉伸功能建立三維模型，如圖1所示。

滑入式球墨鑄鐵供水管道密封止水的原理是通過(guò)管道連接部位的橡膠環(huán)密封來(lái)防止水泄漏，橡膠密封圈具有較高的彈性和彎曲能力，能夠在管道連接處形成有效的密封。當(dāng)兩根管道被插入連接部位并連接在一起時(shí)，橡膠環(huán)會(huì)受到擠壓，從而密封管道連接處的空隙，防止水從連接處滲漏，在模擬過(guò)程中，定義橡膠密封圈為超彈性材料。管道及支座數(shù)值模型材料參數(shù)如表1、表2所示。

對(duì)管道模型及管道墊塊頂面施加豎直方向上的重力荷載，采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元尺寸為15mm，對(duì)管道接口部位進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。分析步主要分為，組裝管道、對(duì)管道施加重力荷載和對(duì)管道施加靜力荷載，在組裝管道前，限制插管、承管及管道部件在x、y、z方向上的位移，使插管與沉管中心線位于同一直線上，在組裝過(guò)程中，改變z方向位移以模擬管道組裝。

3? ?模擬結(jié)果分析

3.1? ?數(shù)值模型驗(yàn)證

圖2是豎直荷載作用下管道豎向位移試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比，從圖中可以看出，承管在15kN荷載下的試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果相差最大，其中，試驗(yàn)位移為79.06mm，數(shù)值模擬位移為74.12mm，數(shù)值模擬誤差為6.25%。插管在加載作用下的試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果較為吻合，最大誤差僅為1.52%。這是由于在數(shù)值模擬過(guò)程中，物理參數(shù)、材料性質(zhì)及數(shù)學(xué)模型十分精確，而在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中試驗(yàn)結(jié)果受多種因素影響，從而導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果之間存在差異，但總體上誤差較小，表明數(shù)值模擬數(shù)據(jù)可信度較高。

3.2? ?壁厚對(duì)結(jié)構(gòu)破壞的影響

不同壁厚條件下承管及插管的豎向位移影響如圖3所示。從圖3可以看出，在相同荷載下，管道壁厚越大，承管及插管的豎向位移均越小，這是因?yàn)楸诤褫^大的管道，管道的截面積也較大，能提供更高的強(qiáng)度和剛度，增加了管道的彎曲剛度，從而更有效地抵抗承受荷載引起的彎曲變形，降低了豎向位移，提高了管道系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。在15kN荷載下，管道壁厚由4.7mm增加至6mm，插管的豎向位移78.64mm減小至69.55mm，減小幅度為11.56%，承管的豎向位移由82.47mm減小至73.1mm，減小幅度為11.36%。

圖4給出了不同管道壁厚條件下管道極限轉(zhuǎn)角響應(yīng)。由圖4可知，管道壁厚為4.7mm、5.2mm、5.7mm、6.0mm下的極限轉(zhuǎn)角分別為11°29′11″、11°23′54″、11°13′53″、和11°47′19″，所能承受的最大荷載分別為15.07kN、16.05kN、16.92kN和19.59kN。

由上述數(shù)據(jù)分析可知，極限轉(zhuǎn)角受管道壁厚改變的影響不明顯，隨著管道壁厚的增加，管道承載能力增大。這是由于極限轉(zhuǎn)角主要受到管道的幾何形狀和支撐條件的影響，而不是壁厚本身，管道的極限轉(zhuǎn)角通常取決于其長(zhǎng)度、支撐方式以及材料的特性，而與壁厚關(guān)系不大。然而，增大管道壁厚度能夠提供更大的截面面積，增加了管道的抗彎剛度，從而更好地抵抗外部荷載，減小了撓度和變形，增加其承受荷載的能力。

3.3? ?管徑對(duì)結(jié)構(gòu)破壞的影響

選取管道直徑為200mm、300mm、400mm并將其編號(hào)為DN200、DN300、DN400，對(duì)比不同管徑對(duì)管道在20kN荷載作用下對(duì)管道豎向位移及極限轉(zhuǎn)角的影響。

圖5是不同管道直徑條件下管道豎向位移響應(yīng)，觀察圖5可知，隨著管道直徑的增加，插管及承管的豎向位移均減小，較大直徑的管道在承受相同荷載時(shí)會(huì)更穩(wěn)定，減小了插管和承管的豎向位移，此外，較大直徑的管道還可以分散荷載，減少了應(yīng)力集中，有助于提高整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。管道直徑由200mm增加至300mm和400mm，插管豎向位移的降低幅度分別為37.33%和15.8%，承管豎向位移的降低幅度分別為38.28%和16.76%，表明隨著管道直徑的持續(xù)增加，插管及承管的豎向位移降低幅度有減小趨勢(shì)。當(dāng)管道直徑較小，增加直徑會(huì)顯著增加截面積，從而顯著提高抗彎剛度，因此豎向位移的減小相對(duì)明顯。然而，一旦管道直徑足夠大，進(jìn)一步增加管道直徑對(duì)承管及插管豎向位移的降低效果削弱，所以抗彎剛度的提升幅度相對(duì)有限。

不同管徑下管道極限轉(zhuǎn)角在加載作用下的響應(yīng)如圖6所示。由圖6可知，DN200、DN300、DN400管道的極限轉(zhuǎn)角分別為11°45′19″、6°44′34″和5°32′3″，DN200和DN300管道的最大承受荷載分別為19.53kN，19.95kN，DN400管道所能承受的最大荷載大于20kN。在相同荷載條件下，隨著管道直徑的增大，極限轉(zhuǎn)角減小，所能承受的最大荷載增加但增加幅度較小。隨著管道直徑增大，其慣性矩增加，從而使管道在承受荷載時(shí)剛度較大，降低了其彎曲能力，因此極限轉(zhuǎn)角減小。

另一方面，管道的承載能力與其橫截面積成正比，因此隨著直徑的增大，管道所能承受的最大荷載也會(huì)增加，但增加幅度較小，因?yàn)樵龃笾睆讲⒉粫?huì)顯著增加管道的承載能力。此外，管道的豎向位移越大，其極限轉(zhuǎn)角越大。當(dāng)管道受到豎向荷載時(shí)，其底部產(chǎn)生豎向位移，這會(huì)導(dǎo)致管道的底部彎曲，而底部彎曲會(huì)增加管道的彎曲半徑，彎曲半徑越大，管道的極限轉(zhuǎn)角就越大。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

本文基于塞內(nèi)加爾供水項(xiàng)目，采用數(shù)值模擬方法探究了不同管道壁厚及管道直徑對(duì)球墨鑄鐵供水管道受力變形的影響，得出以下結(jié)論：

數(shù)值模擬數(shù)據(jù)可信度較高，在15kN荷載下，承管的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比誤差為6.25%，插管在加載作用下的試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果較為吻合，最大誤差僅為1.52%。

在相同荷載下，管道壁厚越大，承管及插管的豎向位移越小，管道壁厚由4.7mm增加至6mm，插管及承管的豎向位移分別降低了11.56%和11.36%；增大管道壁厚對(duì)管道極限轉(zhuǎn)角無(wú)明顯影響，但能夠增加管道承受荷載的能力。

增大管道直徑對(duì)插管及承管的豎向位移有顯著影響，管道直徑由200mm增加至300mm，插管和承管豎向位移的降低幅度為37.33%和38.28%，隨著管道直徑的持續(xù)增加，插管及承管的豎向位移降低幅度有減小趨勢(shì)；管道直徑越大，管道的極限轉(zhuǎn)角越小，管道的豎向位移越大，管道的極限轉(zhuǎn)角越大。

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