基于有限元对大件吊装站位下企口式钢筋混凝土雨水管损伤分析研究

万玉新 杨志强 陈照正 姜 博

中石化重型起重运输工程有限责任公司 北京 100029

由于土的性质的复杂性，影响因素的多样性以及作为天然材料的不可控的性质变异，在解决实际问题时，经典力学往往难以奏效。土具有颗粒性、流动性，在受压过程中既有弹性变形也有塑性变形，利用解析法往往只能计算弹性变形范围，或者计算塑性变形时非常麻烦，计算结果相对不准确；钢筋混凝土管道作为一种复合材料本身强度计算比较复杂，同时传统计算中为了简化计算往往加入了经验性系数造成误差偏大。

利用数值分析方法对某炼化项目中XGC88000 型4000t 履带吊单侧履带下方埋地钢筋混凝土地管进行计算分析，并分析找出损伤位置以及开裂位置。

1 工况介绍

4000t 履带吊一侧履带下方有一外径2.2m，壁厚220mm、每段5m 长的企口式钢筋混凝土管道。吊车站位图如图1 所示。

图1 吊车站位图（单位：mm）

2 有限元计算分析

2.1 建模

本校核中采用ABAQUS 建模。模型尺寸如表1 所示。

表1 ABAQUS 模型尺寸 / m

模型装配示意图如图2 所示。图中路基箱、淤泥、固化层和沙子垫层用不同颜色表示，其中沙子垫层最薄处厚0.6m。

图2 模型装配示意图

管道为柔性企口管，5m 一段。企口管配筋及装配图如图3 所示。

图3 企口管配筋及装配图

2.2 前处理

采用ABAQUS 6.14 版进行前处理。详见图4。

图4 单元类型: C3D8R 线性 六面体

网格类型：结点总数，397600；单元总数，359505。

2.3 材料属性

固化土、淤泥（基于摩尔-库伦弹塑性原理）、混凝土（基于弹塑性混凝土损伤塑性原理）相关参数根据地勘报告得出，具体如表2、表3 所示。C40 本构模型属性如表4所示。混凝土受压参数和受拉参数如表5 和表6 所示。

表2 固化层、淤泥层相关参数

表3 混凝土相关参数

表4 C40 本构模型属性

表5 混凝土受压参数

表6 混凝土受拉参数

2.4 约束方式

根据实际工况，对淤泥底部约束Y 轴向位移。

2.5 接触方式

（1）面与面之间设置摩擦接触（表7）；

表7 各接触面摩擦系数

（2）钢筋笼与混凝土嵌入式接触。

2.6 加载方式

在路基箱上均布加载，27t/ m2。

2.7 结果分析

（1）固化层与淤泥应力位移分析结果见图5。

图5 地基位移、应力分析结果图

（2）管道分析见图6。

图6 企口管位移、应力分析结果图

（3）管道自身强度分析如图7 所示。

图7 自身强度满足

3 结论

评判企口式管道在受临时大荷载压力时是否遭到破坏，需要将企口管连接处的混凝土强度与混凝土强度标准值与混凝土轴心强度设计值进行对比。

（1）强度指标：C30 混凝土强度设计值为16.1MPa；计算值为10MPa；10MPa＜16.1MPa，可得整体强度满足。

（2）塑性应变指标：计算得出得苏醒应变值为0.0 002789；C30混凝土允许值为0.002；对比得0.0002789＜0.002 损伤性满足要求。

（3）位移变形指标：因受压管道连接处节最大产生径向距离0.007m，由于是企口式管道，能承担一定的不均匀沉降，另外规范要求接口处允许发生小转角（1.5°以内），本文案例中具有橡胶垫起到防漏水功能，满足要求。

由于地基以及混凝土本身的特性复杂，在工程计算中需要严谨计算。如果是大口径管道在上面需要承载压力时可采用企口管，可减小被压坏的概率。不建议采用承插管道，因承插口用水泥灌浆密封，在受压产生位移时会有漏水风险。

在大件吊装工程中，当起重机站位区域下有承插型刚接地下混凝土管道时建议进行采取保护措施；当有企口式混凝土管道时建议就管道情况、地质情况、受压情况进行详细计算后再决定。