城市供水管网中钢筋混凝土岔管受力分析
2019-01-07姬栋宇邓夏清谢静仪
姬栋宇，邓夏清，李 帅，谢静仪
(湖南城建职业技术学院，湖南 湘潭 411101)
1 概 述
城市供水管网在城市建设和发展过程中发挥着重要的作用，是城市的重要基础设施，完善的城市供水管网能够保障城市的正常高效运转，促进城市经济快速可持续发展。随着我国城镇化进程的不断发展，城市面临的压力越来越大。为确保国民经济的可持续发展，我国政府在逐年加大对城市地下供水管网建设的投入，供水管网建设得到快速发展[1]。钢筋混凝土岔管结构是保证城市供水管网正常运行的重要结构，某城市供水管网输水岔管结构采用钢筋混凝土岔管结构，钢筋混凝土岔管布置主要由引水主管、岔管、支管等部分组成，主管内径为4.50 m，支管内径为2.25 m。钢筋混凝土主管、岔管和支管均为0.7 m，混凝土强度等级为C30，钢筋采用Ⅱ级[2]。
2 计算模型
采用有限单元法，建立城市供水管网输水岔管结构计算模型。在对模型进行单元剖分时，采用20节点等参块体单元 SOLID 95模拟钢筋混凝土岔管结构[3]，采用8节点等参块体单元SOLID 45模拟岔管周围岩体[4]。该计算模型中，单元总数为44 879，节点总数为26 108。其中，SOLID 95单元总数为31 491，SOLID 45单元总数为13 388。岔管及岩体结构单元剖分见图1。
图1 岔管及岩体结构单元剖分
3 岔管结构分析
3.1 计算工况
在分析该城市供水管网输水岔管结构应力规律时，结合工程的实际情况[5]，考虑以下7种计算工况。工况1：考虑岔管承受最大内水压力为0.57 MPa，并承受岩体对岔管的约束作用；工况2：考虑岔管承受最大内水压力为0.96 MPa，并承受岩体对岔管的约束作用；工况3：考虑岔管承受灌浆外压力0.3 MPa的作用，并考虑运行过程岔管承受最大水头内压力0.57 MPa及岩体对岔管的约束作用；工况4：考虑岔管承受灌浆外压力0.3 MPa的作用，并考虑运行过程岔管承受最大水头内压力0.96 MPa及岩体对岔管的约束作用；工况5：考虑岔管承受灌浆外压力0.3 MPa的作用；工况6：考虑岔管承受灌浆外压力0.3 MPa及最大水头内压力0.96 MPa的作用；工况7：该工况为检修工况，同时考虑岔管承受灌浆外压力0.3 MPa和外水压力0.57 MPa的作用。
3.2 分析断面
为了分析城市供水管网输水岔管结构的受力情况，在岔管的分岔位置取出12个分析断面，断面位置见图2。
图2 岔管结构分析断面示意图
3.3 应力分析
在城市供水管网输水岔管结构的受力中，共考虑7种计算工况，各工况下岔管结构的最大环向拉、压应力见表1。在混凝土岔管结构设计中，考虑工况2施工因素及岩体的约束作用，L-L断面上出现的最大环向拉应力为6.300 MPa，该工况符合工程实际，为此将其定为设计工况。另外，工况5对混凝土岔管结构施加灌浆压力0.3 MPa，此时岔管结构的压应力较大，将该工况定为校核承受极限压应力工况。
表1 各种工况下岔管结构的最大环向拉压应力
工况2考虑最大内水压力0.96 MPa，只考虑岩体的约束作用，不计岩体自重。由此求得的岔管结构部分断面计算点上的应力分布见图3至图8。A-A断面上出现的最大环向拉应力为2.848 MPa，最大环向压应力为-0.712 MPa；B-B断面上出现的最大环向拉应力为2.868 MPa，最大环向压应力为-0.955 MPa；C-C断面上出现的最大环向拉应力为3.290 MPa，最大环向压应力为-0.969 MPa；D-D断面上出现的最大环向拉应力为2.698 MPa，最大环向压应力为-0.900 MPa；E-E断面上出现的最大环向拉应力为2.645 MPa，最大环向压应力为-1.017 MPa；F-F断面上出现的最大环向拉应力为5.495 MPa，最大环向压应力为-1.552 MPa；G-G断面上出现的最大环向拉应力为2.395 MPa，最大环向压应力为-0.765 MPa；H-H断面上出现的最大环向拉应力为2.064 MPa，最大环向压应力为-1.001 MPa；I-I断面上出现的最大环向拉应力为5.495 MPa，最大环向压应力为-0.535 MPa；J-J断面上出现的最大环向拉应力为1.182 MPa，无环向压应力；K-K断面上出现的最大环向拉应力为3.059 MPa，最大环向压应力为-0.562 MPa；L-L断面上出现的最大环向拉应力为6.300 MPa，最大环向压应力为-1.540 MPa。
图3 工况2下B-B断面环向应力图(MPa)
图4 工况2下D-D断面环向应力图(MPa)
图5 工况2下F-F断面环向应力图(MPa)
图6 工况2下I-I断面环向应力图(MPa)
图7 工况2下K-K断面环向应力图(MPa)
图8 工况2下L-L断面环向应力图(MPa)
3.4 围岩结构受力分析
为了分析在各工况下围岩结构的受力情况，图9至图11给出了工况2下围岩的应力分布云图。由图9-图11可以看出，当岔管受内压0.96 MPa的内压作用时，岔管周围岩体环向应力受内压作用的影响范围大约以岔管轴线为圆心、10 m左右为半径的圆形区域内。岔管周围岩体的最大环向拉应力为0.2 MPa左右，而岩体材料抗拉强度为4.0 MPa。由此可见，岩体能够承受最大内水压力0.96 MPa的内压作用，满足设计要求。
图9 工况2下D-D断面围岩环向应力云图(kPa)
图10 工况2下J-J断面围岩环向应力云图(kPa)
图11 工况2下沿岔管轴线水平断面围岩环向应力云图(kPa)
4 结 语
综上所述，考虑工况4的荷载组合情况，该工况下岔管结构中L-L断面最大环向拉应力为4.648 MPa。该工况的计算结果可以作为该城市供水管网输水岔管结构配筋计算的依据，通过对岔管进行配筋设计，并对该钢筋混凝土岔管结构进行极限状态应力校核验算，验算结果满足限裂条件，可以实现混凝土岔管结构的限裂设计。
