CN111859554B - 一种直埋管道过缝结构模型的构建及分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种直埋管道过缝结构模型的构建及分析方法，根据不同地质条件提出了混凝土直埋管道的结构缝设置工况和设置区域，建立了混凝土直埋管道的结构缝的管道物理模型，即为混凝土直埋管道预留空腔的管道物理模型和为预留空腔填充保护材料的管道物理模型。提出了在混凝土直埋管道空腔不变形的条件下仅承受内水压力和温度变化时的管道应力计算边界条件假定和分析方法；提出了在混凝土直埋管道空腔变形的条件下的管道应力计算边界条件假定和分析方法；提出了在混凝土直埋管道空腔变形、同时还需承受管道内水压力和温差变化条件下的管道应力计算边界条件假定和分析方法。此外，找出了混凝土直埋管道过缝过程中的应力应变规律。
Description
技术领域
本发明属于水利水电技术领域，尤其是涉及一种直埋管道过缝结构模型的构建及分析方法。
背景技术
在水电站的设计中，不可避免地会采用大量的埋设管道，其中的一些埋设管道会穿越混凝土分缝，需要进行“过缝处理”。一般情况下，工程师们会参照已有的经验，套用过缝处理的经验数据(表)进行设计；以往的管道直径较小，在较大管径的混凝土直埋管道则没有可参照的工程经验；在缺乏正确的计算分析方法进行分析而选取管道参数时，在某些情况下，这样的套用可能存在风险。
发明内容
本发明的第一个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种混凝土直埋管道预留空腔的管道过缝结构模型的构建方法。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案来实现：
一种直埋管道过缝结构模型的构建方法，其特征在于：所述直埋管道过缝结构模型的构建方法包括：埋设在混凝土中的直管道，在穿越分缝时，如果不增设柔性管节，则通常会在一段管道外加设套管或外敷柔性材料，以在较长的一段埋设管道外形成一个空腔，将局部变形转化为一段管道的变形，以增加管道对于变形的适应能力，因此，构建如下管道过缝时的物理模型，A、C为管段进入混凝土处的两个端点，B为管段的中点；DL为由于混凝土变位产生的管道长度方向的增变量，H为由于混凝土变位产生的管道径向的变量；以此为基础，分析该结构受力变化，管段长度为L，f为管段A点和C点由于长度方向变量DL产生的力，F为管段A点和C点由于径向变量H产生的力，M为管段A点和C点由于径向变量H产生的弯矩；在管道材料弹性范围内，物理模型忽略A点和C点外混凝土内管道的变形，忽略空腔内柔性材料的作用，将分缝处可能发生的倾斜变形转换为轴向和径向变形。
本发明的第二个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种基于直埋管道过缝结构模型的分析方法。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案来实现：
一种基于直埋管道过缝结构模型的分析方法，其特征在于：所述基于直埋管道过缝结构模型的分析方法前文所述的直埋管道过缝结构模型的构建方法所构建的直埋管道过缝结构模型，并包括：
(1)混凝土变形前的管道特性分析
对于管道承受内水压力，可以由下式计算ABC管段承受的管道周向应力σ11，下式中，P为管道内水压力，Di为管道内经，Dt为管道壁厚；
由上式可以得出，由于管道内水压力引起的管段周向应力σ11与管道内水压力P、管道内径Di正比例相关，与管道壁厚Dt反比例相关；与管段长度L无关；
对于管道埋设后的温度变化，可以由下式计算ABC管段承受的管道轴向温变应力，式中，α为管道的线膨胀系数，E为管道的弹性模量，DT为温度增加值；
σ12＝-αEDT (2)
由上式可以得出，由于管道温度变化引起的管段轴向应力σ12与温度变量DT正比例相关，与管道内径Di或外径Do、壁厚Dt以及管段长度L无关；
(2)混凝土变形后的管段特性分析
由于混凝土变形引起的管道轴向增变量DL，可以由下式计算在ABC管段产生的轴向应力σ2，式中，L为管段变形前长度；
由上式可以得出，由于混凝土轴向变形引起的管段轴向应力σ2与变量DL正比例相关，与管段长度L反比例相关；与内径Di或外径Do、壁厚Dt无关；
所以，只有增加管段长度才可以增加管段承受混凝土轴向变形的能力；
由于模型的对称性，将AB管段按照悬臂梁计算，可以由下式计算ABC管段所受的径向应力σ3，式中，I为管道惯性矩，H为管道径向变形，A为管道截面积；
可以由下式计算A、C两点的管道断面顶点承受最大的由于弯矩产生的轴向应力σ4，式中，Do为管道外径；
由(式4)可以得出，由于混凝土径向变形引起的管段径向应力σ3与变量H和管道惯性矩I正比例相关，与管段截面积A和长度L的3次方反比例相关；同样，由(式5)可以得出，由于混凝土径向变形产生的管段端点顶部的轴向应力σ4与变量H和管道外径Do正比例相关，与管段长度L的2次方反比例相关，所以，尤其是对于大管径的埋设管道，增加管段长度可以有效地增加管段承受混凝土径向变形的能力；
(3)混凝土变形后的组合应力分析
在混凝土分缝处发生变形时，会对埋设管道的过缝管段ABC产生附加的应力，其最不利受力点为A、C两点的管道断面顶点，可以由下式简单地计算其复合应力；
。
本发明还有一个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种为预留空腔填充保护材料的管道过缝结构模型的构建方法。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案来实现：
一种直埋管道过缝结构模型的构建方法，所述直埋管道过缝结构模型的构建方法基于前文所述的直埋管道过缝结构模型的构建方法所构建的直埋管道过缝结构模型，并包括：在埋设管道之外，采用套管或柔性材料所形成空腔的尺寸，以不干涉过缝管段变形为条件，则空腔的内径Φ不应小于混凝土径向变形H和管道外径Do之和；考虑施工的偏差，并应根据管段长度L的值，留有适当的余度。
本发明提供一种直埋管道过缝结构模型的构建及分析方法，具有如下有益效果：根据不同地质条件提出了混凝土直埋管道的结构缝设置工况和设置区域，建立了混凝土直埋管道的结构缝的管道物理模型，即为混凝土直埋管道预留空腔的管道物理模型和为预留空腔填充保护材料的管道物理模型。提出了在混凝土直埋管道空腔不变形的条件下仅承受内水压力和温度变化时的管道应力计算边界条件假定和分析方法；提出了在混凝土直埋管道空腔变形的条件下的管道应力计算边界条件假定和分析方法；提出了在混凝土直埋管道空腔变形、同时还需承受管道内水压力和温差变化条件下的管道应力计算边界条件假定和分析方法。此外，找出了混凝土直埋管道过缝过程中的应力应变规律：(1)在混凝土分缝处发生变形时，会对埋设管道的过缝管段产生附加应力，这些附加的应力是不可以被忽略的，应该根据应用条件计算管段最大组合应力，判断埋设管道在通过混凝土分缝处是否安全；(2)相对而言，管道对于轴向变形的适应能力更差；(3)通过增加管道壁厚的方法，对于减小最大应力的作用不大；而增加管段长度是比较有效的方法；(4)大管径管道过缝处理所需要的预留空腔更长，通常的处理更容易引起管道应力超出设计值，因而更应该引起重视；(5)管道过缝处理的空腔内径需要大于径向变形和管道壁厚之和，并留有余度。本发明为混凝土直埋管道过缝结构提供了合理的物理结构模型，提出了正确的分析方法，为混凝土直埋管道过缝参数设计提供了正确的理论指导，是值得推广应用的模型构建方式和处理思路，值得推广应用。
附图说明
图1为埋设在混凝土中的直管道变形前后状态示意图。
图2为埋设在混凝土中的直管道受力示意图。
图3为有限元模型的计算结果图。
具体实施方式
参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。
在环境温度发生升高或降低的变化时，钢材和混凝土会随之膨胀或收缩；这是在进行埋设管道设计时需要考虑的问题。当查阅常用钢材的线膨胀系数时，可能会得到10×10-6/K-14×10-6/K的范围值；这是因为钢材的线膨胀系数与材料、温度和材料的形状相关；混凝土的线膨胀系数也与混凝土的标号和温度相关。钢材和混凝土的弹性模量和强度等参数也存在同样的情况，为了方便计算和分析，本文中按照表1中的参数取值。工程设计中，应按照所选择的材料和应用条件取值。
表1钢材和混凝土的相关参数
| 参数 | 单位 | 钢材 | 混凝土 | 柔性材料 |
| 弹性模量 | 105MPa | 2 | 0.3 | 0.00001 |
| 线膨胀系数 | 10-6/K | 12 | 10 | 0.1～0.05 |
| 抗拉强度 | MPa | 375 | 2.01 | 0.15 |
| 屈服强度 | MPa | 235 | ||
| 抗压强度 | MPa | 20.1 | 0.15 |
由上表可以得出，钢材和混凝土的线膨胀系数接近，而钢材的弹性模量和强度远大于混凝土。仅从这点来看，在环境温度发生变化时，埋设在混凝土中的管道是安全的。但当发生以下几种情况时，埋设在混凝土中的管道可能就变得不安全了。根据温度和地质条件的变化条件，拟定了混凝土钢管设置过缝结构方案。
(1)对于大尺寸混凝土，为了防止混凝土浇筑后收缩引起的开裂和环境温度变化引起的开裂，需要在一定的尺寸范围内设置分缝。穿过分缝的管道，在混凝土分缝发生张开或缩小时，局部变形大，成为了埋设管道的不安全因素。
(2)两个混凝土结构结合部位的分缝，可能由于温度变化引起张开或缩小，或可能由于地质情况等原因发生管道径向方向的错位变形。穿过两个混凝土结构分缝的管道局部变形大，成为了不安全因素。
(3)混凝土结构发生了巨大变形，造成埋设其中管道的破坏。某廊道由于受高地应力及厂房开挖洞室群效应影响，底板表层路面混凝土回弹开裂，造成了埋设在路面以下管道的破坏。
对于第1种情况，通常可以通过过缝处理的方法解决问题；对于第2种情况，通常也会采取过缝处理的方法。而对于第3种情况，在规划管道敷设路径时事先避让，或采用明管敷设的方式会更为合适。
针对第1种情况和第2种情况，在不增设柔性管节的条件下，计算和分析埋设在混凝土中的直管道过缝处理的方法。针对第3钟情况，则需要等地质条件趋于稳定时，在进行管道过缝设置，通常需要根据地质变形趋势，设置多段过缝结构，以适应地质条件的变化。
1、直埋管道过缝结构的物理模型一的构建
埋设在混凝土中的直管道，在穿越分缝时，如果不增设柔性管节，则通常会在一段管道外加设套管或外敷柔性材料。其根本目的是在较长的一段埋设管道外形成一个空腔，将局部变形转化为一段管道的变形，以增加管道对于变形的适应能力。根据上述要求，搭建了管道过缝时的物理模型，参见图1，具体如下：图中的A、C为管段的两个端点(进入混凝土处)，B为管段的中点；(a)为变形前的管段状态，(b)为变形后的管段状态，DL为由于混凝土变位产生的管道长度方向(轴向)的增变量，H为由于混凝土变位产生的管道径向的变量。
据此，我们可以绘制一张如图2所示的受力简图，管段长度为L，f为管段A点和C点由于长度方向变量DL产生的力，F为管段A点和C点由于径向变量H产生的力，M为管段A点和C点由于径向变量H产生的弯矩。
在管道材料弹性范围内，物理模型忽略A点和C点外混凝土内管道的变形，忽略空腔内柔性材料的作用(相比钢材，其弹性模量非常小，参见表1)，将分缝处可能发生的倾斜变形转换为轴向和径向变形，即可以对管段受力和应力分别进行一下的计算。
2、混凝土变形前的管道特性分析
对于管道承受内水压力，可以由下式计算ABC管段承受的管道周向应力σ11，式中，P为管道内水压力，Di为管道内经，Dt为管道壁厚。
由上式可以得出，由于管道内水压力引起的管段周向应力σ11与管道内水压力P、管道内径Di正比例相关，与管道壁厚Dt反比例相关；与管段长度L无关。
对于管道埋设后的温度变化，可以由下式计算ABC管段承受的管道轴向温变应力，式中，α为管道的线膨胀系数，E为管道的弹性模量，DT为温度增加值。
σ12＝-αEDT (2)
由上式可以得出，由于管道温度变化引起的管段轴向应力σ12与温度变量DT正比例相关，与管道内径Di或外径Do、壁厚Dt以及管段长度L无关。
根据计算公式(1)和(2)，以表2为例，列举了不同管径在混凝土过缝时在不同温度和不同过缝长度的单向应力和组合应力。
表2.管道内水压力和温变算例
| 参数 | 单位 | 例1 | 例2 | 例3 | 例4 | 例5 | 例6 | 例7 | 例8 |
| 管道外径 | mm | 32 | 108 | 219 | 325 | 426 | 530 | 630 | 720 |
| 管道壁厚 | mm | 3.5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
| 内水压力 | MPa | 1.6 | 1.6 | 1.6 | 1.6 | 1.6 | 1.6 | 1.6 | 1.6 |
| 温差 | ℃ | -5 | -10 | -15 | -20 | -25 | -30 | -35 | -40 |
| 内水压力引起周向应力 | MPa | 6 | 13 | 23 | 31 | 36 | 41 | 44 | 46 |
| 温变引起轴向应力 | MPa | 12 | 24 | 36 | 48 | 60 | 72 | 84 | 96 |
| 两者组合应力 | MPa | 13 | 27 | 43 | 57 | 70 | 83 | 95 | 107 |
在发生混凝土变形前，管段所承受的轴向应力和周向应力是均布的。一般而言，在选择管道壁厚时，对于管道承受内水压力和温度变化会留有一定的安全余度；由表2的计算结果可知，管道应力与及温差相关，管道温差越大，管道应力越大。
3、混凝土变形后的管段特性分析方法
由于混凝土变形引起的管道轴向增变量DL，可以由下式计算在ABC管段产生的轴向应力σ2，式中，L为管段变形前长度。
由上式可以得出，由于混凝土轴向变形引起的管段轴向应力σ2与变量DL正比例相关，与管段长度L反比例相关；与内径Di或外径Do、壁厚Dt无关。所以，只有增加管段长度才可以增加管段承受混凝土轴向变形的能力。以表3中所列管道参数以及计算结果为例，管道承受混凝土轴向变形的能力是比较弱的，这是在进行埋设管道过缝处理设计时需要重视的问题。
表3.混凝土轴向变形算例
| 单位 | 例1 | 例2 | 例3 | 例4 | 例5 | 例6 | 例7 | 例8 | |
| 管段长度 | m | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 |
| 混凝土引起的轴向变形 | mm | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 15 | 20 | 30 |
| 管段轴向应力 | MPa | 67 | 133 | 200 | 267 | 333 | 500 | 667 | 1000 |
由于图1-2中所示模型的对称性，将AB管段按照悬臂梁计算，可以由下式计算ABC管段所受的径向应力σ3，式中，I为管道惯性矩，H为管道径向变形，A为管道截面积。
可以由下式计算A、C两点的管道断面顶点承受最大的由于弯矩产生的轴向应力σ4，式中，Do为管道外径。
由公式(4)可以得出，由于混凝土径向变形引起的管段径向应力σ3与变量H和管道惯性矩I正比例相关，与管段截面积A和长度L的3次方反比例相关；同样，由(式5)可以得出，由于混凝土径向变形产生的管段端点顶部的轴向应力σ4与变量H和管道外径Do正比例相关，与管段长度L的2次方反比例相关。所以，尤其是对于大管径的埋设管道，增加管段长度可以有效地增加管段承受混凝土径向变形的能力。以表3和表4中的计算结果为例，管道承受混凝土径向变形的能力强于承受轴向变形的能力。
表4.混凝土径向变形算例
| 参数 | 单位 | 例1 | 例2 | 例3 | 例4 | 例5 | 例6 | 例7 | 例8 |
| 管道外径 | mm | 32 | 108 | 219 | 325 | 426 | 530 | 630 | 720 |
| 管道壁厚 | mm | 3.5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
| 长度 | m | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 |
| 混凝土径向变位 | mm | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
| 管道径向应力 | MPa | 0.01 | 0.15 | 0.62 | 1.40 | 2.42 | 3.76 | 5.32 | 6.96 |
| 管段端点顶部轴向应力 | MPa | 5 | 18 | 37 | 54 | 71 | 88 | 105 | 120 |
4、混凝土变形后的组合应力分析方法
在混凝土分缝处发生变形时，会对埋设管道的过缝管段ABC产生附加的应力。其最不利受力点为A、C两点的管道断面顶点，可以由下式简单地计算其复合应力。
从表5的算例计算结果可知，由于混凝土变形产生的附加应力是不可忽略的，甚至可能超过由于管道内水压力和温度变化对管道产生的应力值。
表5.组合应力算例
5、混凝土内直埋管道数值分析对比
为了校核上述模型及分析方法中所述算式推导过程中的假定条件和计算结果的合理性，建立物理模型的有限元结构模型，并仿照上述所提的几个典型算例，进行了有限元计算分析。例如：选取的管道参数为：管道外径Do为720mm，管道壁厚Dt为12mm，管段长度L为7m，管道内水压力P为0.8MPa，温度DT为-10℃，混凝土轴向拉伸DL为5mm、径向变形为20mm。按照前文所提出的计算方法计算的最大(拉)应力值为344MPa，最大应力值发生于管段端点A的顶部和C的底部；利用有限元模型计算的最大(拉)应力值为320MPa，最大应力值同样发生于管段端点A的顶部和C的底部，如图3所示。
由以上的对比计算可知，管段最不利点是一致的，应力值偏差非常小；说明本发明技术方案建构的直埋管道过缝结构物理模型和结构应力计算方法是合理的；算式推导过程的假定是可行的，对最终的结果影响非常小，算式是可用的。
6、直埋管道过缝结构的物理模型二的构建
在埋设管道之外，采用套管或柔性材料所形成空腔的尺寸，以不干涉过缝管段变形为条件。由图1可知，空腔的内径Φ不应小于混凝土径向变形H和管道外径Do之和；考虑施工的偏差，并应根据管段长度L的值，留有适当的余度。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种直埋管道过缝结构模型的构建方法，其特征在于：所述直埋管道过缝结构模型的构建方法包括：埋设在混凝土中的直管道，在穿越分缝时，如果不增设柔性管节，则会在一段管道外加设套管或外敷柔性材料，以在一段埋设管道外形成一个空腔，将局部变形转化为一段管道的变形，以增加管道对于变形的适应能力，因此，构建如下管道过缝时的物理模型，A、C为管段进入混凝土处的两个端点，B为管段的中点；DL为由于混凝土变位产生的管道长度方向的增变量，H为由于混凝土变位产生的管道径向的变量；以此为基础，分析该结构受力变化，管段长度为L，f为管段A点和C点由于长度方向变量DL产生的力，F为管段A点和C点由于径向变量H产生的力，M为管段A点和C点由于径向变量H产生的弯矩；在管道材料弹性范围内，物理模型忽略A点和C点外混凝土内管道的变形，忽略空腔内柔性材料的作用，将分缝处可能发生的倾斜变形转换为轴向和径向变形；
在埋设管道之外，采用套管或柔性材料所形成空腔的尺寸，以不干涉过缝管段变形为条件，则空腔的内径Φ不应小于混凝土径向变形H和管道外径Do之和；考虑施工的偏差，并应根据管段长度L的值，留有余度。
2.一种基于直埋管道过缝结构模型的分析方法，其特征在于：所述基于直埋管道过缝结构模型的分析方法基于权利要求1所述的直埋管道过缝结构模型的构建方法所构建的直埋管道过缝结构模型，并包括：
(1)混凝土变形前的管道特性分析
对于管道承受内水压力，由下式计算ABC管段承受的管道周向应力σ11，下式中，P为管道内水压力，Di为管道内经，Dt为管道壁厚；
由上式得出，由于管道内水压力引起的管段周向应力σ11与管道内水压力P、管道内径Di正比例相关，与管道壁厚Dt反比例相关；与管段长度L无关；
对于管道埋设后的温度变化，由下式计算ABC管段承受的管道轴向温变应力，式中，α为管道的线膨胀系数，E为管道的弹性模量，DT为温度增加值；
σ12＝-αEDT (2)
由上式得出，由于管道温度变化引起的管段轴向应力σ12与温度变量DT正比例相关，与管道内径Di或外径Do、壁厚Dt以及管段长度L无关；
(2)混凝土变形后的管段特性分析
由于混凝土变形引起的管道轴向增变量DL，由下式计算在ABC管段产生的轴向应力σ2，式中，L为管段变形前长度；
由上式得出，由于混凝土轴向变形引起的管段轴向应力σ2与变量DL正比例相关，与管段长度L反比例相关；与内径Di或外径Do、壁厚Dt无关；
所以，只有增加管段长度才能增加管段承受混凝土轴向变形的能力；
由于模型的对称性，将AB管段按照悬臂梁计算，由下式计算ABC管段所受的径向应力σ3，式中，I为管道惯性矩，H为管道径向变形，A为管道截面积；
由下式计算A、C两点的管道断面顶点承受最大的由于弯矩产生的轴向应力σ4，式中，Do为管道外径；
由式(4)得出，由于混凝土径向变形引起的管段径向应力σ3与变量H和管道惯性矩I正比例相关，与管段截面积A和长度L的3次方反比例相关；同样，由式(5)得出，由于混凝土径向变形产生的管段端点顶部的轴向应力σ4与变量H和管道外径Do正比例相关，与管段长度L的2次方反比例相关，所以，尤其是对于大管径的埋设管道，增加管段长度以有效地增加管段承受混凝土径向变形的能力；
(3)混凝土变形后的组合应力分析
在混凝土分缝处发生变形时，会对埋设管道的过缝管段ABC产生附加的应力，其最不利受力点为A、C两点的管道断面顶点，由下式简单地计算其复合应力；
。
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