结构组合优化对增强上埋式柔性管环刚度的影响

2020-10-21赖秀英

海南大学学报（自然科学版） 2020年3期

郑娟，伍肖，赖秀英

(1.莆田学院土木工程学院，福建莆田 351100； 2.台州市交通勘察设计院，浙江台州 318000)

环刚度是衡量管材抗外压负载能力的一个数值指标.如果管材的环刚度太小，管材可能发生过大变形或出现压屈失稳破坏.如果环刚度选择得太高，仅从管体材料本身而言必将造成材料使用太多，成本过高[1].因此，环刚度对管体结构性能而言是非常重要的参数.

在以往关于环刚度的研究中，有考虑管侧土的综合变形模量对环刚度计算的影响[2-3]，也有从管体本身材料出发，分析管道层数、纤维体积比、交叉缠绕层体积比、母料成分等参数和环刚度的关系[4-7]，并采用仿真技术进行建模和优化设计[8-9].目前已有研究大多从管体材料角度入手，得到性价比较高的复合管道材料优化设计，但是对于已经成型的生产线而言，重新调整材料参数需要更多实践性的数据支撑.

从管体结构优化的角度着手，在不改变工厂生产的标准管体的基础上，笔者采用外部简单技术手段干预形成组合结构形式，从而强化径向刚度.需要说明的是，本研究并不局限于径向刚度的强化，同时还期望满足柔性管纵向柔性的结构优势.因此，进行结构组合优化设计将是改变传统管体“非刚即柔”观念的一次有意义的尝试.

1 增强上埋式柔性管环刚度的意义

1.1 上埋式柔性管的关键问题柔性管包括钢波纹管及各式复合材料管等，因其承载小、变形大的受力性能，用作涵管时一般采用沟埋式[10]，承压较高且变形较小的刚性管通常适用于上埋式.由于刚性管结构变形小的优点，也产生了其缺点，适应地基沿管线方向的不均匀沉降能力差，并因此造成涵管的横向开裂结构破坏[11].

柔性管相较于刚性管最大优点是其能适应地基沿管线方向的不均匀沉降，但是若上埋式采用柔性管，其横向刚度小是最大的考验，极有可能在施工期就由于巨大的侧向土压力致使柔性管发生变形过量甚至对管体结构造成破坏.

综上所述，涵管结构本身产生的危害成为了涵管设计与施工中面临的重大难题，且只能减弱无法避免[12].若能在满足涵管纵向地基不均匀变形的基础上，又可承受横向的巨大土压力而不产生较大变形，由此可弥补传统涵管结构的不足，为交通工程带来的前景不言而喻.

1.2 增强上埋式柔性管环刚度的问题提出在前期研究中，根据柔性管的工作特性，提出了“先填后挖”的施工措施[13]，在避免施工过程损坏管体的同时，又减少了土压力.为了验证该措施的可行性，进行了现场实体试验，从光纤光栅传感器实时监测的数据来看，内径2 m的柔性管上覆填土8 m时最大径向变形仅为26 mm[14]，说明该措施充分发挥了土体的作用，实现了管土的共同工作，可借此措施将柔性管推广用于上埋式高填方路堤中，但缺点是施工工艺较为复杂.

因此，转换思路，从管体结构本身的角度出发，在保留其纵向适应不均匀变形优点的基础上，针对横向刚度小的劣势开展的涵管结构优化研究.通过横向“刚化”处理材料给予的环刚度增加，其纵向“柔性”横向“刚性”的结构优势显而易见.若该结构优化成功，具有重要的理论意义和实际工程应用价值.

2 结构优化试验简介

2.1 结构优化材料的选取经过市场调研，选取HDPE缠绕管作为待优化管体.一方面，HDPE缠绕管作为环保新型材料，在各行业领域已经拥有较为显著的优势，并有很好的发展前景；另一方面，笔者所在研究团队已经围绕大直径HDPE缠绕管做了施工工艺方面的前期工作[13]，为了后续的对比研究，本研究方案选取同样的管体.

从受力性能及经济的综合考量，拟选取加入一定配合比外掺剂的水泥浆作为“刚化”处理的材料.通过大量室内试验反复调整合成材料各组成部分配合比及加入外掺剂剂量，以达到工作性能及工程要求.

2.2 结构优化方式的设计利用HDPE缠绕管自身空心的缠绕肋管(如图1所示)，采用灌浆法将加入一定配合比外掺剂的水泥浆注入，养护待用.注入浆体凝固后与外围肋管形成复合外壁，共同抵抗侧向土压力，同时螺旋缠绕的方式不影响管体纵向的柔性特征，从而形成纵向“柔性”横向“刚性”的新型结构.

肋管灌浆过程的关键在于确保浆体的密实程度.灌注浆体若不密实，甚至断层，会使得外围肋管分离为散碎体，则整体抗压强度得不到体现.为保证浆体密实度，反复测试灌浆速度和灌浆方法，最终采用底部灌浆法，并在顶部设置泌水孔，待初凝后进行二次灌浆.同时注意调配外掺剂用量，按照水泥质量3%的膨胀剂和1.5%的减水剂添加外掺剂，使灌注浆体有些许膨胀量，以抵消其初凝后的徐变收缩，不至于产生空洞，保证了肋管灌注水泥浆的密实程度.

由于HDPE缠绕管为不透明黑色，为直观考察灌注浆体密实程度，前期进行了大量的缠绕管自制(图2所示)，外缠肋管透明.将目测密实度达到要求的管体采用称重法进行验证，密实程度准确性能达到98%.该批自制缠绕管也进行了环刚度测试，后文会进行试验数据说明，不在此赘述.

图1 HDPE缠绕管图2 自制缠绕管

3 结构优化试验结果分析

3.1 环刚度测试根据《预应力混凝土桥梁用塑料波纹管》JT/T 529-2004及《热塑性塑料管材环刚度的测定》GB/T 9647-2003，采用万能材料试验机对符合试验要求的管体试件以5 mm·min-1的加载速率进行加载.

将试验记录的数据根据《预应力混凝土桥梁用塑料波纹管》JT/T 529-2004 推荐的环刚度计算公式进行计算整理

(1)

其中，S为试样的环刚度，单位：kN·m-2；ΔY为管材的内径垂直方向3%变化量，单位：m；F为试样内径垂直方向3%变化时的负荷，单位：kN；d为试样内径，单位：m；L为试样长度，单位：m.

3.2 试验数据分析按照试验规程分别进行了自制缠绕管、内径300 mm HDPE缠绕管及内径400 mm HDPE缠绕管(采用DN300和DN400简述)3组试验，将径向“刚化”处理前后的试验数据依据式(1)计算其环刚度，自制缠绕管“刚化”处理后环刚度测试试验数据为例，计算表格如表1所示.

表1 自制缠绕管“刚化”处理后环刚度检测记录表

自制缠绕管“刚化”处理前环刚度测试计算平均值为7.66 kN·m-2，“刚化”处理后的环刚度约为处理前的2倍，增长了97%.需要说明的是，自制缠绕管的本意是使得灌注浆体过程透明化，以直观确保浆体密实程度，故而缠绕肋管与管主体间仅用尼龙带绑扎固定，不能称之为严格意义上的复合管，也就不能发挥复合管的承重优势.即便如此，“刚化”处理前后的环刚度亦体现了大幅度提升.

作为标准的HDPE缠绕管在得到“刚化”处理后其环刚度提升的幅度更明显.选取的DN300和DN400 HDPE缠绕管的环刚度等级均为SN12.5，“刚化”处理前测得环刚度平均值分别为12.76 kN·m-2(DN300)和12.61 kN·m-2(DN400)，处理后环刚度测试计算的平均值分别为34.44 kN·m-2(DN300)和36.53 kN·m-2(DN400)，相对处理前环刚度分别提升约2.7倍(DN300)和2.9倍(DN400).显见比自制缠绕管“刚化”处理前后环刚度的提升幅度较大.

此外，从数据来看同样环刚度等级的HDPE缠绕管“刚化”处理后环刚度提升的幅度较明显的是管径较大的DN400.由于目前数据量有限，无法形成统计规律，有待后续试验的进一步论证.