球墨铸铁供水管道接口受力变形敏感性分析

李锦状

摘要：探究球墨铸铁供水管道接口受力变形敏感性，对确保供水系统的正常运行，减少水资源浪费和土壤污染至关重要。依托塞内加尔供水项目，采用数值模拟方法建立球墨铸铁供水管道有限元模型，在验证数值模拟数据准确可靠的基础上，对不同管道壁厚、管道直径对管道承管和插管竖向位移及极限转角响应的影响开展研究。结果表明，增大管道壁厚和管道直径能够降低承管及插管的竖向位移，其中，管道直径对竖向位移的影响更加显著，管道直径由200mm增加至300mm，插管和承管竖向位移的降低幅度分别为37.33%和38.28%；管道直径越大，其极限转角越小，改变管道壁厚对极限转角的影响不明显。

关键词：球墨铸铁供水管道；管道接口；受力变形；敏感性

0   引言

供水管道是城市基础设施中至关重要的组成部分，承担着输送和分配清洁饮用水的任务[1]。球墨铸铁是一种常用于供水管道的材料，因其具有优异的机械性能和耐腐蚀特性而备受青睐。球墨铸铁供水管道的接口部分是其结构中的薄弱环节，常受到振动、温度变化、土壤运动等多种外部因素的影响[2]，导致接口受力情况发生变化，进而导致管道出现渗漏、破裂或损坏，这不仅会影响供水系统的正常运行，还可能对环境和公共健康造成严重威胁[3]。

目前，已经有多位学者对供水管道受力变形开展了相关研究，王永强等[4]分析了埋地天然气管道在重型车辆荷载下的受力情况，研究综合了理论计算和实验检测方法，提供了可靠的安全评价方法。李新亮等[5]使用线弹性力学理论，将埋地管道在交通荷载下的静力计算问题分解为三个部分，研究了轮压、管道埋深、距离、相对刚度和土壤特性等参数对管道力学性状的影响。董冬冬等[6]以管道工程中广泛采用的HDPE管道为研究对象，基于现场足尺试验和数值计算，研究了交通荷载作用下埋地HDPE管道附加弯矩的影响因素及变化规律。

在现有研究中，针对球墨铸铁供水管道接口受力变形敏感性研究相对较少，鉴于此，本研究依托塞内加尔供水项目，采用数值模拟方法对管道壁厚及管径对管道接口受力变形的影响开展研究，研究结果可为城市供水系统的稳定运行和可持续发展提供重要支持。

1   工程概况

本文基于塞内加尔供水项目，项目分部于首都达喀尔，吕菲斯克市区，杰斯市区北部的梅黑城区，为保障居民的饮用水供应，需要大量的引水输水设施建设。项目包含96km直径200～1500mm球墨铸铁管道的安装，及357座阀门井室的施工，施工区域穿越道路、建筑及铁路等区域，施工难度及施工风险较大，且对施工质量要求较高，在此背景下，探究球墨铸铁供水管道接口变形对保证施工质量确保供水系统可持续发展至关重要。

2   数值模型与材料参数

基于试验承管及插管实际尺寸建立三维有限元数值模型，承管及插管的有效长度分别为900mm和978mm。采用AutoCAD软件绘制承管及插管二维草图，将草图导入数值模拟软件，通过旋转拉伸功能建立三维模型，如图1所示。

滑入式球墨铸铁供水管道密封止水的原理是通过管道连接部位的橡胶环密封来防止水泄漏，橡胶密封圈具有较高的弹性和弯曲能力，能够在管道连接处形成有效的密封。当两根管道被插入连接部位并连接在一起时，橡胶环会受到挤压，从而密封管道连接处的空隙，防止水从连接处渗漏，在模拟过程中，定义橡胶密封圈为超弹性材料。管道及支座数值模型材料参数如表1、表2所示。

对管道模型及管道垫块顶面施加竖直方向上的重力荷载，采用八节点六面体单元对模型进行网格划分，单元尺寸为15mm，对管道接口部位进行局部网格加密。分析步主要分为，组装管道、对管道施加重力荷载和对管道施加静力荷载，在组装管道前，限制插管、承管及管道部件在x、y、z方向上的位移，使插管与沉管中心线位于同一直线上，在组装过程中，改变z方向位移以模拟管道组装。

3   模拟结果分析

3.1   数值模型验证

图2是竖直荷载作用下管道竖向位移试验结果与数值模拟结果对比，从图中可以看出，承管在15kN荷载下的试验结果与模拟结果相差最大，其中，试验位移为79.06mm，数值模拟位移为74.12mm，数值模拟误差为6.25%。插管在加载作用下的试验结果与模拟结果较为吻合，最大误差仅为1.52%。这是由于在数值模拟过程中，物理参数、材料性质及数学模型十分精确，而在现场试验中试验结果受多种因素影响，从而导致模拟结果与实际试验结果之间存在差异，但总体上误差较小，表明数值模拟数据可信度较高。

3.2   壁厚对结构破坏的影响

不同壁厚条件下承管及插管的竖向位移影响如图3所示。从图3可以看出，在相同荷载下，管道壁厚越大，承管及插管的竖向位移均越小，这是因为壁厚较大的管道，管道的截面积也较大，能提供更高的强度和刚度，增加了管道的弯曲刚度，从而更有效地抵抗承受荷载引起的弯曲变形，降低了竖向位移，提高了管道系统的稳定性和安全性。在15kN荷载下，管道壁厚由4.7mm增加至6mm，插管的豎向位移78.64mm减小至69.55mm，减小幅度为11.56%，承管的竖向位移由82.47mm减小至73.1mm，减小幅度为11.36%。

图4给出了不同管道壁厚条件下管道极限转角响应。由图4可知，管道壁厚为4.7mm、5.2mm、5.7mm、6.0mm下的极限转角分别为11°29′11″、11°23′54″、11°13′53″、和11°47′19″，所能承受的最大荷载分别为15.07kN、16.05kN、16.92kN和19.59kN。

由上述数据分析可知，极限转角受管道壁厚改变的影响不明显，随着管道壁厚的增加，管道承载能力增大。这是由于极限转角主要受到管道的几何形状和支撑条件的影响，而不是壁厚本身，管道的极限转角通常取决于其长度、支撑方式以及材料的特性，而与壁厚关系不大。然而，增大管道壁厚度能够提供更大的截面面积，增加了管道的抗弯刚度，从而更好地抵抗外部荷载，减小了挠度和变形，增加其承受荷载的能力。

3.3   管径对结构破坏的影响

选取管道直径为200mm、300mm、400mm并将其编号为DN200、DN300、DN400，对比不同管径对管道在20kN荷载作用下对管道竖向位移及极限转角的影响。

图5是不同管道直径条件下管道竖向位移响应，观察图5可知，随着管道直径的增加，插管及承管的竖向位移均减小，较大直径的管道在承受相同荷载时会更稳定，减小了插管和承管的竖向位移，此外，较大直径的管道还可以分散荷载，减少了应力集中，有助于提高整体的结构稳定性。管道直径由200mm增加至300mm和400mm，插管竖向位移的降低幅度分别为37.33%和15.8%，承管竖向位移的降低幅度分别为38.28%和16.76%，表明随着管道直徑的持续增加，插管及承管的竖向位移降低幅度有减小趋势。当管道直径较小，增加直径会显著增加截面积，从而显著提高抗弯刚度，因此竖向位移的减小相对明显。然而，一旦管道直径足够大，进一步增加管道直径对承管及插管竖向位移的降低效果削弱，所以抗弯刚度的提升幅度相对有限。

不同管径下管道极限转角在加载作用下的响应如图6所示。由图6可知，DN200、DN300、DN400管道的极限转角分别为11°45′19″、6°44′34″和5°32′3″，DN200和DN300管道的最大承受荷载分别为19.53kN，19.95kN，DN400管道所能承受的最大荷载大于20kN。在相同荷载条件下，随着管道直径的增大，极限转角减小，所能承受的最大荷载增加但增加幅度较小。随着管道直径增大，其惯性矩增加，从而使管道在承受荷载时刚度较大，降低了其弯曲能力，因此极限转角减小。

另一方面，管道的承载能力与其横截面积成正比，因此随着直径的增大，管道所能承受的最大荷载也会增加，但增加幅度较小，因为增大直径并不会显著增加管道的承载能力。此外，管道的竖向位移越大，其极限转角越大。当管道受到竖向荷载时，其底部产生竖向位移，这会导致管道的底部弯曲，而底部弯曲会增加管道的弯曲半径，弯曲半径越大，管道的极限转角就越大。

4   结束语

本文基于塞内加尔供水项目，采用数值模拟方法探究了不同管道壁厚及管道直径对球墨铸铁供水管道受力变形的影响，得出以下结论：

数值模拟数据可信度较高，在15kN荷载下，承管的数值模拟结果与试验结果相比误差为6.25%，插管在加载作用下的试验结果与模拟结果较为吻合，最大误差仅为1.52%。

在相同荷载下，管道壁厚越大，承管及插管的竖向位移越小，管道壁厚由4.7mm增加至6mm，插管及承管的竖向位移分别降低了11.56%和11.36%；增大管道壁厚对管道极限转角无明显影响，但能够增加管道承受荷载的能力。

增大管道直径对插管及承管的竖向位移有显著影响，管道直径由200mm增加至300mm，插管和承管竖向位移的降低幅度为37.33%和38.28%，随着管道直径的持续增加，插管及承管的竖向位移降低幅度有减小趋势；管道直径越大，管道的极限转角越小，管道的竖向位移越大，管道的极限转角越大。

参考文献

[1] 曹徐齐，阮辰旼.全球主要城市供水管网漏损率调研结果汇编[J].净水技术，2017，36（4）：6-14.

[2] 卢金锁，柴蓓蓓，黄廷林，等.城市给水系统地震风险分析及震后供水[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版），2008（5）：686-691.

[3] 赵乱成.给水管道损坏的主要原因和对策[J].给水排水，1997（12）：55-58.

[4] 王永强，牛星钢，谭钦文.重型车辆荷载下埋地天然气管道的安全分析[J].中国安全生产科学技术，2011，7（08）：109-114.

[5] 李新亮，李素贞，申永刚.交通荷载作用下埋地管道应力分析与现场测试[J].浙江大学学报（工学版），2014，48（11）：1976-1982.

[6] 董冬冬，王非，张亚军，等.交通荷载作用下HDPE管道附加弯矩变化规律研究[J].地下空间与工程学报，2016，12（S1）：80-88+99.