某浅埋压力钢管三维有限元分析

2017-08-09范永平马妹英吕晓腾

水利水电工程设计 2017年2期

关键词：垫板环向侧向

范永平马妹英吕晓腾

某浅埋压力钢管三维有限元分析

范永平马妹英吕晓腾

浅埋压力钢管计算一般利用结构力学方法进行计算，设计过程中未考虑钢管加劲环对钢管加固的空间受力，计算结果偏保守。采用整体有限元方法，对某工程浅埋钢管进行了分析，较好地反应了钢管的实际的受力状态，为施工图设计提供了依据。

压力钢管浅埋有限元分析

1 工程概况

某水电站工程压力钢管布置在电站前池至厂房间，随压力变化分段设计，钢管壁厚由12 mm增大到36 mm，均采用16MnR钢制作，钢管沿线均设置加劲环，加劲环间距2.0 m，采用厚16 mm的16MnR钢制作，加劲环高100 mm。压力钢管采用浅埋回填管，管底部设置40 cm厚钢筋混凝土垫板，垫板底部铺设10 cm厚的素混凝土垫层，垫板宽3.6 m，布置在开挖的沟槽内。管顶平均回填深度2.0 m，回填料为开挖的砂砾石土。压力钢管及钢筋混凝土垫板结构如图1所示，为了简化计算且避免端部效应，计算模型取15环。

为了探求压力钢管设计的合理性，本文采用有限单元法，以压力钢管(圆形断面)为基础，针对钢材采用线弹性本构模型，研究其在自重、内水压力、土压力及外压荷载作用下的变形和应力响应，从而为施工图设计提供依据，并且结构体系更加合理化。计算采用ANSYS程序。

图1 浅埋压力钢管结构图(单位：mm)

2 计算条件及边界条件

2.1 计算参数

在对压力钢管进行三维有限元分析时，有关材料参数如表1所示。

2.2 计算荷载

(1)自重：压力钢管、加劲肋、混凝土垫座均考虑自重影响。

表1 材料参数

(2)土压力：采用竖向土压力(及雪压力)和水平土压力来表示，竖向土压力以土体自重公式计算，水平土压力以郎肯主动土压力公式计算，且同时考虑两者的线性分布。计算公式如下：

竖向土压力：qv=γH

(1)

水平土压力：qH=kγH

(2)

式中γ——填土容重，kN/m3；

H——计算点填土深度，m；

k——侧向土压力系数，按照k=tan2(45-φ/2)计算；

φ——填土的内摩擦角，(°)。

2.3 边界条件

压力钢管和钢筋混凝土垫板结构计算模型的边界条件分为位移边界和应力边界两类。考虑最不利条件且仅针对中间管段进行分析，故仅在混凝土垫板底部施加位移全约束。如图2。

图2 压力钢管计算模型及边界条件

3 计算工况及分析路径

针对原压力钢管(圆形断面)，钢材与混凝土均采用线弹性本构模型，考虑到控制工况为检修工况，本次设计分析工况如下。

工况：压力钢管检修工况；荷载组合：结构自重+土压力。

为了便于分析压力钢管结构的应力和变形分布规律，顺着水流方向，分别在12：00、13：30和15：00位置沿钢管轴向定义路径1、路径2和路径3；沿钢管环向，在环间管壁、加固位置管壁和加劲环处管壁的上半圆分别定义路径4、路径5和路径6。

4 计算结果分析

4.1 应力分析

在自重+土压力(竖向+侧向)作用下，中间管段应力图如图3、4所示。由图可知，压力钢管最大环向拉应力为51.5 MPa，位于管腰处的加劲环上；最大环向压应力为-22.5 MPa，位于钢管与混凝土垫层交接处的加劲环上；最大Mises等效应力为125 MPa，也位于钢管与混凝土垫层交接处的加劲环上。整体来看，由于土压力的影响，钢管和加劲环上局部区域拉、压应力均较大，但均在钢板屈服应力范围之内。与仅考虑竖向土压力相比，由于侧向土压力的影响，压力钢管的应力有所减小，侧向土压力对钢管受力有利。

图3 管段(含加劲环)环向应力图

图4 管段(含加劲环)米塞斯应力图

从图中可以看出，在轴向上，加劲环与钢管交接处的环向应力和Mises等效应力最大；管顶处的环向拉应力最大，管腰处的环向拉、压应力相差不大，而13：30处的环向应力相对较小。在环向上，钢管中部的环向应力和Mises等效应力均不大；而加劲环处的环向应力较大，且环向压应力与环向拉应力相差不大。与仅考虑竖向土压力相比，考虑侧向土压力时钢管受力趋于好转。

4.2 变形分析

在自重+土压力(竖向+侧向)作用下，中间管段变形云图如图5所示。由图可知，压力钢管最大向内径向变形为5.31 mm，位于管顶；最大向外径向变形为4.05 mm，位于管腰；最大综合位移为5.31 mm，也位于管顶。整体来看，由于竖向土压力的影响，压力钢管的变形量较大，断面开始呈椭圆状。与仅考虑竖向土压力相比，考虑侧向土压力时钢管变形有所减小。