超大管径PCCP输水管与钢管接驳口承载变形性状有限元数值模拟研究

肖雪莉，杨士发，陈逊贤，黄怀立，周广宇，冯德銮

（1、广东工业大学土木与交通工程学院 广州510006；2、广州市自来水有限公司 广州510600）

0 引言

预应力钢筒混凝土管（PCCP）是由多种材料组成的一种非金属复合管材，具有密封性强、强度高、抗老化和高抗渗的良好性能［1］。PCCP 管在长距离引水及供水工程、废水处理工程、雨水排污管道工程等应用广泛［2］。

1893 年Bonna 设计并制造出钢筒混凝土管并将其应用于引水管网中，1939年进一步研究出耐压的预应力钢筒混凝土管［3］；1942年和1953年美国分别首次研制出内衬式PCCP 管和埋置式PCCP 管［4］。由于PCCP 管具有耐腐蚀、高强度、易安装等诸多优点，迅速在实际工程中得到应用［5］。但是，PCCP管存在对外围扰动敏感、土壤侵蚀等问题，若不及时检测和修复，轻则管道损伤［6］，重则发生爆管事故［7-9］，引发严重的经济、环境和社会问题。

随着PCCP 管在长距离供水工程中的大范围应用，能否长期安全稳定运行成为我们关注的重点［10］，国内外不少学者用有限元软件对PCCP 管模拟其受力和变形情况，结合实际工程情况对PCCP 管的稳定性进行合理分析。Zarghamee 等人［11-12］利用有限元软件研究其在内水压力、流体自重、回填土自重等因素扰动下受到的裂缝延展度、变形和受力变化情况；Diab等人［13］建立相关有限元模型分析3 种钢丝受扰动受损时的区域位置及变形；胡少伟等人［14］利用有限元模型模拟PCCP 管道抗裂外压承载试验的受力特性，得出预存裂缝在外荷载作用下使混凝土发生应力集中；彭寿海［15］建立PCCP输水管线的平面应变模型以分析其处于正常运作状态下的受力情况，得出管道在超载情况下的变形及应力分布规律；黄俊杰［16］通过ANAYS创立数值仿真模型，基于其内部各部分间的连接关系，分析不同工况下PCCP-E内外层混凝土、预应力钢丝以及钢筒的应力-应变规律。

广州市西江引水工程为广州中心城区提供重要水源，佛山南海段和三水段管材主要为PCCP 管，因广佛肇高速公路建设的原因，需对广州市西江引水工程中的原水输水管进行局部改线，管道拆除过程中可能导致输水管产生较大变形的复杂工况，为了避免出现爆管现象，提前进行大量的研究和准确的预测很有必要。本文依托广州市西江引水工程（佛山三水、南海段）与广佛肇高速公路建设相涉段PCCP 输水管管线改迁工程，利用ABAQUS 有限元软件建立三维精细有限元模型，分析单管拆除施工过程中，对相邻管道接驳口的受力及变形影响，对大型管线供水、排水管道建设具有参考意义。

1 工程背景概况

在拆除原输水管道的过程中，需要注意的是需要改迁的管段上、下部势必需要从被保留的PCCP 管拔出拔出改迁管段的过程一定会对其保留的输水管产生一定的拉力，而拉力将直接作用在被保留输水管段的接驳口处，极有可能因操作或方法不当而破坏管道或接驳口。

分析既有PCCP 管的复合材料的性能，如核心混凝土、钢管筒、橡胶圈、承插口钢材等；研究既有管道接驳口的结构细节；结合既有PCCP 管与周围土体和地基的相互作用关系，模拟输水管拆除施工过程中，轴向力作用对其上游和下游PCCP 管道的影响关系。通过建立PCCP 输水管道、地基和周围土体共同作用的有限元模型，预判沿PCCP 管道进一步向相邻管段传递轴向力的规律和新旧管道接驳口的连接情况。

2 数值分析模型

2.1 PCCP管接头模型

利用ABAQUS 有限元软件建立PCCP 管接头模型及承插口的几何模型。PCCP 管的材料包括钢管、管芯混凝土以及其外包预应力钢丝，其中接驳口处放置2 道止水橡胶圈。PCCP 管接头承插口几何模型如图1所示。

图1 输水管接驳口几何模型Fig.1 Geometric Model of Pccp Socket

2.2 基本假定

建立仿真模拟模型的基本假定如下：①混凝土、钢圆筒和预应力钢绞线的本构关系采用线性弹性模型；②橡胶圈的本构关系采用超弹性本构模型，其非线性的应力应变关系采用Mooney-Rivlin 模型，在有限元软件中用2 个材料参数进行表征，相应的应变能函数可表示为：

其中，应变不变量用I1、I2表示；橡胶的材料常数用C10、C01表示，根据橡胶材料的实际测试数据，其值分别取为1.62 和0.43。有限元模型各材料的模型参数如表1所示。

表1 有限元模型各材料物理力学参数Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Each Material of the Finite Element Model

2.3 PCCP管线单管拔出对接头的受力结果分析

PCCP 管道单管拆除施工过程中，有限元软件模拟承插口结构应力-位移结果如图2、图3所示。

图2 拔管前接驳口结构细节应力、位移云图Fig.2 Stress and Displacement Nephogram of the Socket Structure Details Before the Pipe Section Removal Project

根据三维有限元的模拟计算，拔管模型中PCCP管拔管后，其接驳口细节所受最大拉应力及拔管拉力结果如图4 所示。PCCP 输水管及其接头细节的应力计算结果如下：预应力钢丝为917.0 MPa，钢圆筒为26.7 MPa，核心混凝土为10.0 MPa，插口钢环为40.1 MPa，承口钢环为14.5 MPa，橡胶圈为2.8 MPa。

图3 拔管后接驳口结构细节应力、位移云图Fig.3 Stress and Displacement Nephogram of the Socket Structure Details after the Pipe Section Removal Project

图4 拔管过程中的拉拔力Fig.4 Pulling Force Required for Extubation

由有限元分析结果显示，拔管过程中所产生最大的位移变形及应力集中均发生在承接口处，并且对邻近管段的扰动也较大。由图4 可知，拔管所提供的拉拔力最大为1 600 kN。对比PCCP 管复合材料的容许应力，发现其预应力钢丝、钢管筒、承插口钢环及橡胶圈所受的最大应力均在允许范围之内，意味着拔管施工过程并不会对承接口及其邻近管段造成破坏；但核心混凝土所受的最大应力为10.0 MPa，该值大大超过此材料的承受能力。因此，急需进一步分析其核心混凝土的应力分布情况，得出的结论如图5所示。由图5可知，拔管过程中，承插口变截面的根部出现应力集中的情况（红圈标出），但最大主应力覆盖范围较小，且除该部位外，核心混凝土的最大拉应力小于1 MPa，符合材料要求。因此，拔管施工过程中所需拉拔力为1 600 kN；施工过程中应避免由于偏心力的出现，导致应力集中处的应力过大，直接导致核心混凝土的破坏。

图5 拔管时核心混凝土应力分布Fig.5 Stress Distribution of Core Concrete

2.4 PCCP输水管与钢管焊接处的焊缝受力分析

新钢管与既有PCCP 管接驳处采用焊接方式。原PCCP 管有多种基础形式，而新钢管统一采用桩基础，在后续供水过程中，倘若新钢管邻近的既有PCCP 输水管原有地基是非桩基础，势必会发生不均匀沉降。如若产生过大的不均匀沉降，会造成接驳口有较高的焊缝应力从而破环接驳口，危及广州市绝大部分市民的供水安全，直接上升至国家公共安全事件。因此，本节利用三维有限元软件仿真模拟不同工况下，原输水管与新钢管连接处焊缝的受力变形规律。

PCCP 管插口、承口与钢管接头几何模型如图6、图7所示。

图6 PCCP管插口与钢管焊接几何模型Fig.6 The Welding Geometry Model of PCCP Socket and Steel Pipe

图7 PCCP管承口与钢管焊接几何模型Fig.7 The Welding Geometry Model of PCCP Socket and Steel Pipe

根据有限元软件分析焊缝的应力-应变结果，如图8～图9所示。

由图8～图9 可知，新钢管与原PCCP 输水管插口接驳处焊接产生的最大应力为236 MPa，最大塑性变形为2.1%；新钢管与原PCCP 输水管承口接驳处焊接产生的最大应力为252 MPa，最大塑性应变为1.3%；新钢管与原PCCP 输水管焊接时承口的焊缝应力约是插口的107%，塑性应变比插口处小0.8%。因此，焊接时接头钢板需要承受最大为252 MPa 的应力时，极有可能会产生过大的温度应力而使钢板屈服，需要采取合理的施工措施，促使温度尽快扩散。

2.5 相邻PCCP 输水管沉降差对接头受力变形结果分析

根据有限元软件分析PCCP 管在8.1 mm 位移差下的应力-位移结果如图10～图11 所示：预应力钢绞丝应力为976 MPa，钢圆筒应力为236 MPa，承口钢环焊缝应力为245 MPa，承口钢环位移为7.6 mm。

图8 插口处内外焊缝剖视面应力及应变Fig.8 Stress and Strain of the Cross-sectional View of the Inner and Outer Welds at the Socket

图9 承口处内外焊缝剖视面应力及应变Fig.9 Stress and Strain of the Cross-sectional View of the Inner and Outer Welds at the Socket

由以上结果可知，PCCP 管在8.1 mm 位移差的情况下，内部钢圆筒最大应力为236 MPa，承口钢环焊缝最大应力为245 MPa，该结果与无位移差的钢环应力相近，但整个接驳口几乎都是塑性区。考虑到接头钢板因产生过大的塑性区而失效，因此，施工过程中应加强接驳口的强度和刚度。

3 结论

本文重点分析了PCCP 输水管拆管过程中对接驳口各部分的受力与变形的影响，可为西江引水管线改迁工程的前期施工设计提供参考建议，避免拆管施工过程中管线各部分遭到不可逆的破坏，同时可为大型供水、排水管道建设提供参考依据。

图10 PCCP输水管位移云图Fig.10 Displacement Diagram of PCCP

图11 PCCP输水管接驳口应力云图Fig.11 Stress Diagram of PCCP Pipe Joint

⑴拔管施工过程中所需拉拔力为1 600 kN；由于应力集中，PCCP 管插口变截面处根部出现最大主应力10 MPa，其分布范围小；拔管时需采取合理的施工方案，避免由于偏心力的出现使应力集中处的拉应力过大，直接破坏核心混凝土。

⑵PCCP 管与新钢管焊接时，承口处焊缝应力约是插口处的107%，塑性应变比插口处小0.8%；需要采取合理的施工措施，促使温度尽快扩散，避免焊接时产生的高温而使钢板屈服。

⑶钢环应力在考虑沉降差与不考虑沉降差条件下几乎相等，但整个接驳口几乎都是单塑性区域，因此，需要采取合理的施工措施加强接驳口的强度与刚度，避免接头钢板产生过大的塑性区而失效。