工业建筑施工中钢管径压稳定性对比试验研究

2012-11-22张吉兆安徽理工大学土木建筑学院安徽淮南232001

长江大学学报(自科版) 2012年25期

张吉兆 (安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001)

张吉兆 (安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001)

冷冻水输送井和瓦斯抽排井是煤炭开采中已建矿区正在建设的2种新型工业建筑。施工中大直径钢管通常作为固井井壁，常发生钢管在径向压力下出现失稳破坏，被压扁。加大管壁厚度是提高稳定性临界力的有效途径，但大幅提高造价。钢管上设置加劲环是一种既提高临界力又经济有效的途径。通过模型试验对比设置加劲环前后钢管临界力的变化，证实其有效性和局限性，并得出稳定性临界力主要与半径与长度、壁厚与半径2个比值相关，半径与长度比值越大稳定临界力越小，壁厚与半径比值越大稳定性临界力越大，当钢管长度趋于十倍钢管半径时，加劲环对钢管临界力影响趋于消失。

工业建筑；大直径钢管；稳定性临界力; 试验研究

煤炭开采中，采掘深度越来越大，工作面深达千米以上。已经建成的矿区由于投产时间长，没有考虑可能出现的地温热害和瓦斯资源的二次高效利用，现在必须建设一些新型的工业建筑，如为减轻高温热害而出现的冷冻水输送井[1]和为瓦斯高效利用而出现的瓦斯抽排井[2]。其共同特点是直径和深度大。经常发生施工荷载下的井壁失稳破坏，因此径向外压下的钢管稳定性已成为决定工程成败的关键技术。

冷冻水输送井和瓦斯抽排井的施工方法是地面钻井利用吊机下放大直径钢管，利用泥浆护壁[3]。由于吊机承载能力有限，采用提吊加浮力塞下沉法，此法需要钢管中空借助泥浆浮力下沉，在施工过程中经常出现钢管在径向泥浆压力下发生失稳破坏，导致钢管被压扁。钢管是否破坏主要由钢管在径向外压下的稳定性决定。通过模型试验，笔者对提高径向外压下钢管稳定性途径进行讨论，便于指导工程设计和施工。

1 试验研究

大深度的钢管是分节焊接下放，现有设计方法中一般将钢管看做无限长圆柱壳，从而抽象为平面问题[4]，稳定性临界力由壁厚和管径的比值决定，加大壁厚是提高稳定性临界力的最有效途径，但这一途径从造价角度考虑不经济。在焊接部位设置加劲环既可以提高稳定性临界力又不大幅增加工程造价。

1.1加载设备

试验中利用井壁外压加载装置。钢管径向承受外部液压压力，模拟钢管在施工中所承受的泥浆径向压力。试验钢管置于加载装置中，上部为可调式盖板，底板密闭，底板、盖板与试件加劲环之间加设橡胶密闭圆环，加载动力来源于液压油泵。如图1所示。

1.2试验过程

取屈服强度为235MPa钢管，弹性模量为2.0×1011N/m2，泊松比取0.3。一组钢管在两端部焊接加劲环，如图2所示。另一组同样尺寸端部不焊接加劲环。试件的长度为L=570mm，钢管壁厚为T=3mm。

冷冻水输送井和瓦斯抽排井中加劲环的设置往往向内凸向圆心，钢管外表保持光滑，以方便实际施工，但试验中为方便试件制作和加载，加劲环向外凸出30mm，材料为10mm厚钢板，设置同等尺寸的外凸支撑，试验中半径R分别为300、200、100、50mm。试验过程中没有设置加劲环的钢管在水平方向可以移动。破坏后试件如图3所示。

图1 加载设备图图2 试验试件图3 破坏后试件

表1 试件的稳定性临界力

1.3试验结果

两端不设置加劲环的钢管看做无限长圆柱壳，简化为平面圆环稳定问题。而设置加劲环的钢管由于加劲环的作用，认为端部为固结，是空间问题[5]。

通过径向外压试验可以获得稳定性破坏临界力，如表1所示。从表1可以发现，在壁厚一定的条件下，钢管不管是否设置加劲环，钢管半径越大，相应稳定性临界力越小。

表2 临界力与R/L、T/R的关系

注:T为钢管壁厚;L为钢管长度。

稳定性临界力与R/L、T/R的关系如表2所示。从表2可以发现,R/L比值越大，稳定临界力越小，设置加劲环与未设置加劲环钢管稳定性临界力的比值越大；T/R比值越大，稳定性临界力越大，设置加劲环与未设置加劲环钢管稳定性临界力的比值越小，并且最终趋于一致。以上关系并不是正反比例的线性关系。从R/L比值和2种临界力比值之间的关系可以发现，R/L=0.097时，两者之间大小比值为1.03倍，也就是说当R/L趋近于1/10左右时，两者的倍数趋近于1.0，此时设置加劲环钢管相对于未设置的稳定性临界力提高不多。若钢管长度大，R/L趋近于零，对于没有设置加劲环的钢管，径压下的临界力只和T/R有关，该值越大，稳定性临界力越大。