邵紅才, 王　兵, 陳　豐

(揚州職業(yè)大學, 江蘇 揚州　225009)

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柔性凍結管接頭壓縮性能的數(shù)值模擬研究

邵紅才, 王兵, 陳豐

(揚州職業(yè)大學, 江蘇 揚州225009)

摘要：在深厚表土凍結法鑿井工程中常發(fā)生的凍結管斷裂事故，對工程安全造成了嚴重威脅。為解決凍結管斷裂問題,本文采用數(shù)值計算方法對“Ω”形凍結管接頭的壓縮力學特性進行研究。由計算結果看出,在軸向壓力作用下,接頭斷裂前其軸向壓縮量可達20mm以上，徑向位移量可達10mm以上。因此，該種接頭在軸向和橫向上均具有良好的柔性,可適應凍結壁溫度變形、凍脹變形和開挖變形,防止凍結管斷裂。

關鍵詞：柔性接頭；凍結管；壓縮性能；數(shù)值模擬

中圖分類號:TD 265.34

文獻標識碼:A

文章編號:1008-3693(2015)04-0028-04

凍結法施工是一種在復雜地層中施工的特殊方法,施工時低溫鹽水通過凍結管將含水地層凍結起來,形成帷幕,以利于施工。凍結管在地層中長達幾百米,由低溫鹽水引起的溫度應力、開挖后圍巖水土的壓力、凍土壁流變導致的彎曲應力以及不同土層產生的徑向壓力差對管子的剪力等,均使凍結管在復雜的工況下工作,施工中易發(fā)生凍結管斷裂事故,影響施工的安全和進度。

根據(jù)現(xiàn)場斷管的資料[1-3],凍結管在發(fā)生斷管現(xiàn)象時本身并未發(fā)生斷裂,而是在管接頭位置發(fā)生了斷裂。解決的方法主要是改進凍結管的接頭。關于凍結管的接頭形式,國內外主要有外箍螺紋接頭、外箍焊接接頭和內襯管對焊接頭。但隨著凍結深度的增加,凍結管所受到的豎向溫度應力和橫向位移明顯增加,目前常用的接頭也經(jīng)常發(fā)生斷裂事故,主要是因為這種接頭沒有足夠大的柔性。所以，根據(jù)斷管的特點,應采用柔性凍結管接頭。本文對“Ω”形接頭的壓縮力學特性采用ANSYS軟件進行數(shù)值模擬研究。

圖1　“Ω”形柔性凍結管接頭結構

1數(shù)值計算規(guī)劃

“Ω”形柔性接頭[4-6]結構見圖1,根據(jù)凍結管實際尺寸、其他影響因素及相似準則,得出各參數(shù)的取值范圍,見表1。

表1　參數(shù)取值表

為了方便考察“Ω”形柔性接頭裝置的受力與變形情況,需要取定一組參數(shù)。為論述方便,將其稱為典型參數(shù),見表2。

表2　凍結管及接頭典型參數(shù)

模型中還包括凍結管、管接頭和焊縫材料。凍結管和管接頭材料的彈性模量為2.1×105MPa,泊松比為0.2,屈服強度為337MPa。凍結管和接頭之間焊縫的彈性模量為2.1×105MPa,泊松比為0.25,屈服強度為410MPa。

1.1　數(shù)值計算模型

本模型由接頭與鋼管組成,材料均為鋼材,可將其視為均質材料,結構無缺陷,不考慮結構自重;整個結構可按空間軸對稱問題考慮。由于結構材料為鋼材,因此，材料本構關系可采用理想彈塑性模型,服從Von Mises屈服準則;接頭受壓計算圖和簡化圖見圖2;模型外載為上端受到的壓力，下端邊界定義為對稱邊界;考慮到壓縮過程中會產生失穩(wěn),凍結管長度取200mm來研究,對稱模型為100mm。其他管接頭尺寸參數(shù)均按典型參數(shù)取值。

圖2　受壓計算簡圖

1.2　有限元模型

鋼管和接頭采用PLANE82單元劃分網(wǎng)格,焊縫采用PLANE2單元劃分網(wǎng)格,按空間軸對稱建模。有限元網(wǎng)格采用自由劃分,見圖3。

本次數(shù)值模擬主要得到各溫度條件下的含此接頭凍結管的壓縮極限承載力。給定荷載一個初值,設置一個荷載子步長,進行加載計算,直至接頭破壞為止,得到壓應力的極限值和接頭的變形特性。圖4是凍結管各特征點的位置及編號。

圖3　有限元模型　　圖4　凍結管接頭上特征點編號

2數(shù)值計算結果分析

對于具有典型參數(shù)的凍結管及接頭,在壓力作用下的破壞形式見圖5。

圖5　凍結管在受壓下的破壞示意圖

由圖5可以看出,接頭破壞時,接頭上翼已經(jīng)與接頭對稱面EF接近在同一水平位置,當溫度不足以使鋼材發(fā)生脆性破壞時,假定當上翼與下翼碰在一起時,接頭就破壞了。

由等效應力曲線(圖6)可以看出對稱面EF上的F點首先達到屈服,緊接著C、E和G點相繼達到屈服,可以看出對稱斷面EF首先進入全斷面屈服狀態(tài),然后由此端面向接頭兩端部分依次進入塑性階段。當荷載達到最大值時,除了I點其余各點均進入了塑性階段,而I點在接頭直管段,可以說明當接頭彎曲部分全部進入塑性階段之后,荷載就到達了最大值。隨荷載的減小,直管段也依次進入塑性階段。

圖6　各點等效應力隨荷載的變化曲線

對應圖7位移曲線,位移在荷載達到最大值之前是很小的,鋼在彈性階段的壓縮量是很小的,而且滿足胡克定律。當荷載達到最大值之后,隨之是荷載卸載的過程,由于接頭部分已經(jīng)進入塑性階段,此時塑性變形迅速增加,相應的壓縮量和位移量也迅速增大。由于常溫時鋼材不會發(fā)生脆性破壞,所以，本模擬可認為當接頭兩翼碰在一起時接頭就破壞了。

由圖7、圖8的曲線可以看出,凍結管在軸向壓力作用下,荷載變化是先增大后減小,當減小到接頭兩翼碰在一起時,凍結管接頭破壞。在壓力達到最大值時,凍結管接頭大部分都處在彈性變形,故應力應變曲線基本都是線性的;但達到最大值之后,也就是卸載過程中,由于接頭對稱斷面全部進入塑性階段,所以產生了大變形,當變形達到一定量接頭兩翼碰在一起時,認為斷面EF破壞。由圖8可以看出,這3個測點對比,環(huán)向應變和豎向應變的最大值均出現(xiàn)在E點,分別在0.12個應變和0.3個應變左右。說明E點是最容易破壞的點。當兩翼接觸時,可以認為含有E點的斷面EF破壞。

圖7　各點位移隨荷載的變化曲線

圖8　荷載-應變曲線

圖9是不同壓應力下的EF全斷面上各點豎向應力曲線。同拉伸一樣,面EF上進入塑性階段的標準與此時該斷面上豎向應力分布的線性還是非線性是相關的。由壓縮分析可知,接頭外側E點始終是往外凸,該點在全過程中豎向一直是受到拉應力作用,而F點一直是受到擠壓,故豎向應力始終是壓應力。在壓縮過程中,E剛開始和最后破壞之前的彎矩方向都是一致的,因為E點始終處在力的同一側。

圖9　EF對稱面上各點的豎向應力

3結論

通過對“Ω”形接頭在壓力作用下的數(shù)值計算,獲得了其變形特性和破壞特征。結果表明,在軸向壓力作用下,接頭的軸向壓縮量可達20mm以上、徑向外移量可達10mm以上,最后接頭直至弧形段被壓扁,且上下兩翼已經(jīng)接觸在一起,然后在弧頂斷面處斷裂?？梢?本文所研究的“Ω”形接頭在軸向和徑向上均具有良好的柔性,其可適應復雜的凍結壁溫度變形、凍脹變形和開挖變形的作用而不被破壞,可防止凍結管斷裂，是一種較為理想的凍結管接頭。

參考文獻：

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[7]防凍結管斷裂科研組.凍結管物理力學性能測試[J].淮南礦業(yè)學院學報,1986(2):27-47.

(責任編輯：江涌吳萍)

Numerical Simulation Research into the Compression Performance of Flexible Freezing Pipe Joints

SHAO Hong-cai, WANG Bing, CHEN Feng

(Yangzhou Polytechnic College, Yangzhou 225009, China)

Abstract:In recent years, accidents of freezing pipe breaks in the freezing shaft sinking engineering of deep surface soil has posed a serious threat to the engineering safety. In order to solve the frozen pipe breaks, this article researches into the compressive dynamic properties of the Ω shaped freezing pipe joints using numerical calculation method. The result shows that this flexible freezing pipe joint is up to 20mm in axial compression and up to 10mm in radial displacement under axial pressure. Also this kind of joint has good flexibility in both axial and lateral direction, which can adapt to the temperature deformation, the frost deformation and the excavation deformation of the frozen wall, and prevent freezing pipes breaks.

Key words:flexible joint; freezing pipe; compressive property; numerical simulation

作者簡介：邵紅才(1981—)，男，揚州職業(yè)大學土木工程學院講師，碩士。

收稿日期：2015-09-02