往复荷载下管道承插式柔性接口力学性能试验研究

李冠潮，韩 阳，任雪振

(河南工业大学 土木建筑学院，河南 郑州 450001)

地下供水管网是城市基础设施的重要组成部分，是保障人们生活水平的前提，一旦发生破坏将直接影响城市的正常运转，对地下供水管网威胁最严重的当属地震这种自然灾害。历次震害资料显示[1]，管道的破坏形式主要包括接头破坏、管体裂缝和管道与建筑物连接处运动相位不一致，其中接头破坏是最为普遍的一种，例如唐山地震市区铸铁给水管道接头处破坏高达79%。针对接头破坏导致供水管网失效的反应机理，国内外专家学者做了大量研究工作及探讨。

Wham.B.P.等[2-3]对常用胶圈接口和改进的接口进行了大变形下的轴向拉拔试验和弯曲试验对比研究，提出了接口渗漏仅与胶圈的应力分布有关，与加载路径无关等观点；尚庆学等[4]对消防卡箍接头进行了抗震性能试验，表明卡箍断裂及水管被拔出是其主要破坏形式；韩阳等[5-6]对不同管径的铸铁管进行了轴向拉拔及弯曲试验，给出了接口处极限渗漏位移及管道被拔出的最大拉力值；周静海等[7]对球墨铸铁管柔性接口进行了注水与不注水拉拔试验，提出了管径越大拉拔力越大抗震性能越好的结论；钟紫兰等[8]进行了承插式球墨铸铁管道接口的拟静力轴向加载试验，提出管道轴向抗拉强度受加载制度及内部水压影响较小，且管口的最大拉伸位移受插口插入深度影响。上述试验多以对管道接口原型拉拔试验为主，球墨铸铁管柔性接口在往复荷载作用下的力学性能试验研究还比较少见。管道接口在地震荷载作用下其受力状态是复杂的，为更加贴近其真实的受荷情况，对管道接口处施加往复荷载的研究是非常有必要的。

本文通过对球墨铸铁管柔性接口施加往复荷载的试验，得出DN150、DN200接口在往复荷载作用下的轴力—位移曲线，对比分析了加载速率及管径大小的变化对接口处受力状态的影响，同时揭示了两种管径随轴向变形的能耗关系。

1 试验概况

1.1 试验装置及试件

本试验采用新兴铸管集团有限公司提供的DN150、DN200球墨铸铁管为研究对象，公称直径分别是150 mm、200 mm，两根管均由盘承长管、盘插长管及密封胶圈三部分组成，试件总长度为3.1 m。试验装置主要由伺服电缸、反力架及承重支架组成，数据采集系统由自行研发的力—位移采集箱、拉压力传感器和伸缩式位移计组成，试验装置如图1所示，试件以DN150为例。

图1 试验装置图

图2 逐级往复加载制度

1.2 试验方案

本试验作动器采用位移控制的方式进行加载，加载方式为逐级往复加载，加载峰值分别是3 mm、6 mm、12 mm、24 mm、36 mm和50 mm，每个等级加载两次，加载制度如图2所示。由于本试验主要研究管道接口处加载速率对接口处力学性能的影响，故试验加载速率设置了三种，如表1所示。为保证试验数据的准确性，每个速率做3次逐级往复加载试验，共计18次，每做一次试验更换新的密封橡胶圈以保证实验条件完全相同。

表1 承插式球墨铸铁管接口逐级往复试验工况表

2 结果与分析

2.1 逐级往复荷载作用下DN150结果分析

图3为DN150球墨铸铁管柔性接口在逐级往复荷载作用下不同速率的滞回曲线图。

图3 DN150不同速率滞回曲线

从图3可以看出：不同速率加载条件下球墨铸铁管柔性接口在逐级往复荷载作用下的轴力—位移曲线总体趋势是基本一致的，都呈现类似于“撒网”状的形式，每个加载等级的滞回环都呈梭形，饱满且基本重合，表明胶圈自身的恢复力特性较好。不同的是轴向峰值拉力(拉力为上升段，推力为下降段)随加载速率的增大而增大，首先拉拔力主要是由接口处胶圈与盘插长管外管壁之间相互作用的摩擦力及胶圈自身抵抗剪切变形共同作用得来的，当加载速率增大时胶圈阻碍插管被拔出所需要的摩擦力变大，导致轴向拉力上升。

2.2 逐级往复荷载作用下DN200结果分析

图4为DN200球墨铸铁管柔性接口在逐级往复荷载作用下不同速率的滞回曲线图。

图4 DN200不同速率滞回曲线

从图4可以看出：管径为200 mm的球墨铸铁管在相同加载条件下轴力—位移曲线总趋势基本和150 mm管道吻合，轴向峰值拉力同样随加载速率的增大而增大。

对比图3和图4可以发现：加载速率相同条件下随着试件管径的增大，轴向峰值拉力也越大，这是由于密封胶圈与管壁接触面积增大导致摩擦力变大造成的，推力随着轴向位移的减小而增大。两种管径的峰值位移基本都在25～30 mm(本文规定轴向峰值拉力对应的位移为轴向峰值位移)，当加载等级在30～40 mm时可以看出轴向拉力波动不大，40 mm后轴向拉力开始缓慢下降。不同加载速率所对应的轴向峰值拉力及所对应的峰值位移如表2所示。

表2 不同管径不同加载速率下峰值拉力及峰值位移

2.3 不同管径往复加载下承插式柔性接口的耗能能力

图5 不同管径相同加载速率下柔性接口耗能与位移关系对比

图5为球墨铸铁管柔性接口不同管径相同加载速率下耗能能力对比图(黑色数据点代表DN150型，红色数据点代表DN200型)。

从图5可以看出：DN200每个加载速率所对应的滞回曲线面积比DN150型更大一些，这是由于管径的增大使得密封胶圈与外管壁的接触面积增多，阻碍盘插长管相对运动的摩擦力有所上升造成的。加载等级为3 mm、6 mm、12 mm时，两种管径滞回曲线面积基本重合，说明加载速率及管径的改变对胶圈在0～12 mm变形内的能耗影响很微弱，当加载等级超过12 mm时能量消耗逐渐增大，加载速率越大耗能也越大且大管径比小管径的能耗更多。

3 结论

本文采用国内供水管网中常见的球墨铸铁管柔性接头进行管道接口在往复荷载作用下的试验研究，分析了不同管径及不同加载速率对接口处力学性能的影响，得出以下结论：

(1) 管道柔性接口在不同加载速率逐级往复荷载作用下轴力—位移曲线趋势相同，每个等级的滞回曲线基本重合，表明胶圈具有良好的力恢复特性，轴向峰值拉力随加载速率的增大而增大，原因是加载速率变大导致摩擦力升高。

(2) 管径的改变对峰值拉力有很大影响。管径越大，胶圈与外管壁接触面积越高，阻碍胶圈与盘插长管发生相对运动的摩擦力上升，峰值拉力随之变大。管径的改变并没有直接影响峰值位移的活动区域，两种管径的轴向峰值位移基本稳定在29～32 mm。

(3) 通过origin软件计算了两种管径每个等级第一次往复加载的滞回环面积，对比发现相同加载速率管径越大能量消耗越大，但加载等级在3～12 mm内能量消耗无明显波动。