李月偉 伍鶴皋 汪碧飛

摘要：依托羅田水庫(kù)—鐵崗水庫(kù)引調(diào)水工程實(shí)際，采用ABAQUS有限元軟件對(duì)檢修車道三梁岔管分別進(jìn)行了鋼岔管單獨(dú)承載和鋼岔管與混凝土聯(lián)合承載下的三維有限元分析。研究結(jié)果表明：① 考慮外包混凝土聯(lián)合承載以后，鋼岔管的受力變形顯著降低，鋼岔管應(yīng)力分布更為均勻，外包混凝土可以明顯改善鋼岔管的應(yīng)力集中現(xiàn)象。② 當(dāng)鋼岔管與混凝土完全接觸時(shí)，鋼岔管應(yīng)力很小，而混凝土承擔(dān)大部分內(nèi)水壓力，所受拉應(yīng)力超過(guò)了混凝土的抗拉強(qiáng)度，需要大范圍配筋。③ 在鋼岔管與外包混凝土之間設(shè)置縫隙或墊層后可使得鋼岔管承擔(dān)的內(nèi)水壓力更大，發(fā)揮更大的承載作用，同時(shí)傳遞給周圍混凝土的內(nèi)水壓力降低，減少配筋量，使岔管結(jié)構(gòu)更加經(jīng)濟(jì)安全。

關(guān)鍵詞：三梁岔管； 聯(lián)合承載； 配筋； 引調(diào)水工程； 有限元法

中圖法分類號(hào)： TV732.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.045

0引 言

緩解地區(qū)之間的水資源供需矛盾，除了加大節(jié)水和污水處理力度，還必須通過(guò)引調(diào)水工程實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置，以推動(dòng)區(qū)域間協(xié)調(diào)發(fā)展［1］。世界上很多國(guó)家自20世紀(jì)初就開始大規(guī)模修建引調(diào)水工程［2］，從豐水區(qū)向缺水區(qū)進(jìn)行調(diào)水。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前世界上已建、在建和擬建跨流域調(diào)水工程達(dá)160多項(xiàng)，分布于24個(gè)國(guó)家［3-4］。中國(guó)自建國(guó)以來(lái)也陸續(xù)利用調(diào)水工程從豐水區(qū)向缺水區(qū)進(jìn)行調(diào)水，南水北調(diào)工程、引灤入津工程、東深供水工程、引黃濟(jì)青工程等均是國(guó)內(nèi)著名的跨流域調(diào)水工程。

壓力管道是引調(diào)水工程中必不可少的核心部分，其設(shè)計(jì)的合理性、安全性與經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。當(dāng)引調(diào)水工程由一根主管向兩條或兩條以上支管供水時(shí)，需要設(shè)置分岔管。鋼岔管的結(jié)構(gòu)型式主要有三梁岔管、內(nèi)加強(qiáng)月牙肋岔管、貼邊岔管、球形岔管和無(wú)梁岔管等。而鋼襯鋼筋混凝土岔管復(fù)合結(jié)構(gòu)是國(guó)內(nèi)外近幾十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種岔管型式，其主要特點(diǎn)是鋼岔管外包鋼筋混凝土，兩者共同承受內(nèi)水壓力，內(nèi)部鋼襯同時(shí)還可以防止內(nèi)水外滲，而外部的混凝土允許開裂，這樣鋼襯和鋼筋都能夠比較充分地發(fā)揮作用。鋼襯可以根據(jù)需要采用鋼岔管的某種型式，但由于鋼筋混凝土參加承載，減輕了鋼襯的負(fù)擔(dān)，因而鋼襯與單獨(dú)承載的明鋼岔管相比，管壁可以減薄，加強(qiáng)構(gòu)件也可以減小甚至取消。這種結(jié)構(gòu)不僅可以節(jié)省鋼板用量，使選材和工藝要求簡(jiǎn)單，降低造價(jià)，而且結(jié)構(gòu)安全性也比明鋼岔管更好［5-6］。

鑒于以上現(xiàn)狀，本文結(jié)合羅田水庫(kù)—鐵崗水庫(kù)引調(diào)水工程中的通車三梁岔管，通過(guò)有限元軟件ABAQUS研究了通車三梁岔管與鎮(zhèn)墩外包鋼筋混凝土的聯(lián)合承載特性與影響因素。

1工程概況

羅田水庫(kù)—鐵崗水庫(kù)輸水隧洞連通工程是珠江三角洲水資源配置工程在深圳市境內(nèi)的配套項(xiàng)目之一，工程全線位于深圳市西部城區(qū)。輸水隧洞自寶安區(qū)松崗鎮(zhèn)東北部羅田水庫(kù)取水，總體由北往南，將西江水引入鐵崗水庫(kù)。該工程在檢修排水井處設(shè)有檢修車道岔管（以下簡(jiǎn)稱“通車三梁岔管”），主管直徑5 200 mm，通車支管直徑3 200 mm，鋼岔管外包混凝土，岔管布置如圖1所示。

通車三梁岔管支管與主管垂直，岔管腰梁外緣、內(nèi)緣為圓形，U梁（加強(qiáng)梁）外緣、內(nèi)緣均為橢圓形。通車三梁岔管尺寸見圖2。

鋼岔管采用Q345R鋼材，容重為7.85×10-5 N/mm3，鋼材彈性模量為2.06×105 N/mm2，泊松比為0.30，線膨脹系數(shù)為1.2×10-5/℃。管壁和三梁所使用的鋼板屈服強(qiáng)度分別為325 MPa和305 MPa。

根據(jù)SL/T 281-2020《水利水電工程壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》［7］，岔管鋼材允許應(yīng)力見表1，該工程鋼岔管均采用雙面焊接，焊縫系數(shù)取為0.95。

外包混凝土為C30強(qiáng)度等級(jí)，彈性模量30 GPa，泊松比0.167，抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值分別為2.01 MPa和20.1 MPa。

根據(jù)該工程輸水管道調(diào)保計(jì)算，考慮水錘升壓，上述檢修車道岔管處最大內(nèi)壓水頭為107.07 m。通過(guò)對(duì)通車三梁鋼岔管在正常運(yùn)行和水壓試驗(yàn)工況下單獨(dú)承載進(jìn)行三維有限元計(jì)算，得到滿足Q345R鋼材允許應(yīng)力的鋼岔管參數(shù)列于表2。

2計(jì)算模型與方案

如前所述，布置在輸水系統(tǒng)工作井或溝槽內(nèi)的鋼岔管，為了保持其在不平衡水壓力作用下的穩(wěn)定性，一般均需外包鋼筋混凝土以成為混凝土鎮(zhèn)墩。本文通車三梁岔管布置和外包鎮(zhèn)墩混凝土設(shè)計(jì)尺寸如圖3所示。

按照相關(guān)規(guī)定，模型在主管兩端以及混凝土鎮(zhèn)墩底部均取法向約束，外包混凝土兩側(cè)為自由邊界，支管端部接橢圓形悶頭。鋼岔管管殼和加強(qiáng)梁網(wǎng)格剖分全部采用4節(jié)點(diǎn)S4板殼單元；鎮(zhèn)墩混凝土采用8節(jié)點(diǎn)C3D8實(shí)體單元進(jìn)行模擬；鋼岔管與外包混凝土之間縫隙或墊層通過(guò)設(shè)置面-面接觸來(lái)模擬，摩擦系數(shù)為0.6。

有限元模型建立在笛卡爾直角坐標(biāo)系（X，Y，Z）下，XOY面為水平面，豎直方向?yàn)閆軸，向上為正，坐標(biāo)系成右手螺旋，坐標(biāo)原點(diǎn)位于主管與支管軸向交匯處。鋼岔管和鎮(zhèn)墩混凝土有限元計(jì)算網(wǎng)格如圖4～5所示。

為了研究鋼岔管與外包混凝土之間初始縫隙值和墊層材料的影響，對(duì)表3中3種方案進(jìn)行了三維線彈性有限元分析。其中方案D-2中初始縫隙值按主管半徑的4/10 000計(jì)算，即為1.04 mm；方案D-3中沿鋼岔管上半周設(shè)置墊層，包括U梁和腰梁。

3鋼岔管受力分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，整理了正常運(yùn)行工況下鋼岔管管殼內(nèi)、外、中面及三梁岔管的Mises應(yīng)力，如圖6～9所示；圖10列出了鋼岔管單獨(dú)承載時(shí)的Mises應(yīng)力云圖以作對(duì)比。

對(duì)比3種聯(lián)合承載方案和單獨(dú)承載時(shí)的鋼岔管應(yīng)力云圖，可以看出：

（1） 考慮外包混凝土方案下的鋼岔管應(yīng)力均較鋼岔管單獨(dú)承載時(shí)有顯著減小，分岔管母線轉(zhuǎn)折角附近不再有明顯的應(yīng)力集中，應(yīng)力分布更為均勻，且三梁岔管應(yīng)力相比單獨(dú)承載也有大幅降低。這說(shuō)明外包混凝土可大幅度減小鋼岔管的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象。但由于悶頭和部分支管裸露在外面，沒有外包混凝土協(xié)助承擔(dān)內(nèi)水壓力，支管出口處仍會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，3種方案下鋼岔管的最大Mises應(yīng)力均在此產(chǎn)生。

（2） 方案D-1鋼岔管與混凝土完全接觸，而方案D-2與D-3分別考慮了鋼岔管與混凝土的縫隙和墊層的作用，鋼岔管傳遞給混凝土的內(nèi)水壓力減小，因此鋼岔管整體膜應(yīng)力均較方案D-1大，但都小于鋼岔管單獨(dú)承載時(shí)的應(yīng)力水平。

（3） 在進(jìn)行外包混凝土配筋設(shè)計(jì)時(shí)，為了安全起見，應(yīng)假定初始縫隙為0，即按照方案D-1中外包混凝土應(yīng)力計(jì)算配筋；而在分析鋼岔管應(yīng)力時(shí)，應(yīng)按縫隙值最大的 D-2方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，經(jīng)與鋼材允許應(yīng)力比較，D-2方案鋼岔管應(yīng)力均可滿足小于允許應(yīng)力的要求，且有較大富余。

4混凝土應(yīng)力與配筋分析

為對(duì)比分析方案D-1、D-2、D-3的外包混凝土應(yīng)力，按照?qǐng)D11所示兩種路徑方向分別整理混凝土的最大主應(yīng)力，其中原點(diǎn)O位于支錐管出口外包混凝土輪廓處右側(cè)腰部中點(diǎn)，K為以O(shè)點(diǎn)為起點(diǎn)出發(fā)的水平距離，β為以O(shè)點(diǎn)為0°起點(diǎn)沿支錐管出口外包混凝土輪廓線逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度。

上述路徑下各方案混凝土最大主應(yīng)力變化曲線如圖12～13所示。分析可知，方案D-1支錐管出口附近混凝土最大主應(yīng)力明顯超過(guò)方案D-2與D-3，方案D-2混凝土應(yīng)力最小。方案D-1在K路徑上距O點(diǎn)約0.5 m范圍內(nèi)混凝土最大主應(yīng)力均超過(guò)C30抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.01 MPa（圖12），且其支錐管出口處混凝土最大主應(yīng)力除支錐管出口輪廓線下方部分區(qū)域以外，其他位置也均超過(guò)抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（圖13）。而方案D-2與D-3在兩路徑上混凝土最大主應(yīng)力均小于抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

這是因?yàn)榉桨窪-1中鋼岔管與外包混凝土完全接觸，鋼岔管所受內(nèi)水壓力能較好地傳遞給混凝土承擔(dān)，因此其支錐管出口處附近外包混凝土最大主應(yīng)力較大，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)重視此區(qū)域混凝土配筋情況。方案D-2由于鋼岔管與混凝土之間存在初始縫隙，鋼岔管受內(nèi)水壓力變形時(shí)，所受內(nèi)水壓力不會(huì)及時(shí)傳遞給外包混凝土，因此混凝土承擔(dān)的內(nèi)水壓力最小，最大主應(yīng)力最小。方案D-3在鋼岔管與混凝土之間設(shè)置墊層后，在鋼岔管受水壓變形向外包混凝土傳力時(shí)墊層起到了很好的緩沖作用，使得傳遞給周圍混凝土的內(nèi)水壓力較小，支錐管出口處附近外包混凝土最大主應(yīng)力較小。

根據(jù)SL 191-2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［8］中的拉應(yīng)力圖形法，將圖14所示混凝土典型截面的合力與配筋列于表4。

分析表4中各方案岔管外包混凝土截面合力和配筋量可知：

（1） 當(dāng)鋼岔管與混凝土完全接觸時(shí)（方案D-1），混凝土承擔(dān)的內(nèi)水壓力最大，因此其最大主應(yīng)力也最大。綜合考慮各截面的配筋面積，建議從里向外配置3層環(huán)向鋼筋，其中沿鋼岔管表面布置一層鋼筋，沿混凝土外緣布置兩層鋼筋，鋼筋直徑為25 mm，間距200 mm。

（2） 方案D-2考慮了縫隙以后，混凝土分擔(dān)的內(nèi)水壓力減少，其整體所受應(yīng)力不大，綜合考慮各斷面的配筋面積，建議從里向外配置2層環(huán)向鋼筋，其中沿鋼岔管表面布置一層鋼筋，沿混凝土外緣布置一層鋼筋，鋼筋直徑為22 mm，間距200 mm。

（3） 方案D-3鋼岔管上半周設(shè)置了軟墊層，混凝土上半周分擔(dān)的內(nèi)水壓力較小，其最大主應(yīng)力小于

下半部。同方案D-2類似，方案D-3混凝土整體拉應(yīng)力不大，綜合考慮各斷面的配筋面積，建議從里向外配置2層環(huán)向鋼筋，其中沿鋼岔管表面布置一層鋼筋，沿混凝土外緣布置一層鋼筋，鋼筋直徑為22 mm，間距200 mm。

5結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)引調(diào)水工程中典型的通車三梁岔管進(jìn)行單獨(dú)承載分析、鋼岔管與外包混凝土聯(lián)合承載分析，得出以下結(jié)論：

（1） 考慮外包混凝土聯(lián)合承載以后，鋼岔管的受力變形顯著降低，鋼岔管應(yīng)力更為均勻，外包混凝土可以改善鋼岔管的應(yīng)力集中現(xiàn)象。但3種外包混凝土方案均在支管與混凝土相交出口處產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)特別注意該位置處鋼岔管及悶頭的受力情況?？紤]初始縫隙和墊層作用以后，混凝土分擔(dān)的內(nèi)水壓力減小，拉應(yīng)力減小，整體所受拉應(yīng)力基本上小于混凝土的抗拉強(qiáng)度，按照構(gòu)造配筋即可。

（2） 設(shè)置初始縫隙方案雖與設(shè)墊層方案的鋼岔管受力基本一致，但實(shí)際工程中鋼岔管與混凝土之間的間隙不好確定和控制，且從限裂的角度而言，鋼岔管與外包鋼筋混凝土之間設(shè)墊層的方案更有優(yōu)勢(shì)，因此可以考慮在鋼岔管與混凝土之間設(shè)置軟墊層來(lái)充分發(fā)揮鋼岔管的作用，同時(shí)減少配筋量，使岔管結(jié)構(gòu)更加經(jīng)濟(jì)安全。

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（編輯：郭甜甜）