平底三通钢岔管与外包混凝土复合结构承载研究

李月伟 伍鹤皋 汪碧飞

摘要：依托罗田水库—铁岗水库引调水工程实际，采用ABAQUS有限元软件对检修车道三梁岔管分别进行了钢岔管单独承载和钢岔管与混凝土联合承载下的三维有限元分析。研究结果表明：① 考虑外包混凝土联合承载以后，钢岔管的受力变形显著降低，钢岔管应力分布更为均匀，外包混凝土可以明显改善钢岔管的应力集中现象。② 当钢岔管与混凝土完全接触时，钢岔管应力很小，而混凝土承担大部分内水压力，所受拉应力超过了混凝土的抗拉强度，需要大范围配筋。③ 在钢岔管与外包混凝土之间设置缝隙或垫层后可使得钢岔管承担的内水压力更大，发挥更大的承载作用，同时传递给周围混凝土的内水压力降低，减少配筋量，使岔管结构更加经济安全。

关键词：三梁岔管； 联合承载； 配筋； 引调水工程； 有限元法

中图法分类号： TV732.4

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.045

0引 言

缓解地区之间的水资源供需矛盾，除了加大节水和污水处理力度，还必须通过引调水工程实现水资源的优化配置，以推动区域间协调发展［1］。世界上很多国家自20世纪初就开始大规模修建引调水工程［2］，从丰水区向缺水区进行调水。据不完全统计，目前世界上已建、在建和拟建跨流域调水工程达160多项，分布于24个国家［3-4］。中国自建国以来也陆续利用调水工程从丰水区向缺水区进行调水，南水北调工程、引滦入津工程、东深供水工程、引黄济青工程等均是国内著名的跨流域调水工程。

压力管道是引调水工程中必不可少的核心部分，其设计的合理性、安全性与经济性至关重要。当引调水工程由一根主管向两条或两条以上支管供水时，需要设置分岔管。钢岔管的结构型式主要有三梁岔管、内加强月牙肋岔管、贴边岔管、球形岔管和无梁岔管等。而钢衬钢筋混凝土岔管复合结构是国内外近几十年来发展起来的一种岔管型式，其主要特点是钢岔管外包钢筋混凝土，两者共同承受内水压力，内部钢衬同时还可以防止内水外渗，而外部的混凝土允许开裂，这样钢衬和钢筋都能够比较充分地发挥作用。钢衬可以根据需要采用钢岔管的某种型式，但由于钢筋混凝土参加承载，减轻了钢衬的负担，因而钢衬与单独承载的明钢岔管相比，管壁可以减薄，加强构件也可以减小甚至取消。这种结构不仅可以节省钢板用量，使选材和工艺要求简单，降低造价，而且结构安全性也比明钢岔管更好［5-6］。

鉴于以上现状，本文结合罗田水库—铁岗水库引调水工程中的通车三梁岔管，通过有限元软件ABAQUS研究了通车三梁岔管与镇墩外包钢筋混凝土的联合承载特性与影响因素。

1工程概况

罗田水库—铁岗水库输水隧洞连通工程是珠江三角洲水资源配置工程在深圳市境内的配套项目之一，工程全线位于深圳市西部城区。输水隧洞自宝安区松岗镇东北部罗田水库取水，总体由北往南，将西江水引入铁岗水库。该工程在检修排水井处设有检修车道岔管（以下简称“通车三梁岔管”），主管直径5 200 mm，通车支管直径3 200 mm，钢岔管外包混凝土，岔管布置如图1所示。

通车三梁岔管支管与主管垂直，岔管腰梁外缘、内缘为圆形，U梁（加强梁）外缘、内缘均为椭圆形。通车三梁岔管尺寸见图2。

钢岔管采用Q345R钢材，容重为7.85×10-5 N/mm3，钢材弹性模量为2.06×105 N/mm2，泊松比为0.30，线膨胀系数为1.2×10-5/℃。管壁和三梁所使用的钢板屈服强度分别为325 MPa和305 MPa。

根据SL/T 281-2020《水利水电工程压力钢管设计规范》［7］，岔管钢材允许应力见表1，该工程钢岔管均采用双面焊接，焊缝系数取为0.95。

外包混凝土为C30强度等级，弹性模量30 GPa，泊松比0.167，抗拉强度和抗压强度标准值分别为2.01 MPa和20.1 MPa。

根据该工程输水管道调保计算，考虑水锤升压，上述检修车道岔管处最大内压水头为107.07 m。通过对通车三梁钢岔管在正常运行和水压试验工况下单独承载进行三维有限元计算，得到满足Q345R钢材允许应力的钢岔管参数列于表2。

2计算模型与方案

如前所述，布置在输水系统工作井或沟槽内的钢岔管，为了保持其在不平衡水压力作用下的稳定性，一般均需外包钢筋混凝土以成为混凝土镇墩。本文通车三梁岔管布置和外包镇墩混凝土设计尺寸如图3所示。

按照相关规定，模型在主管两端以及混凝土镇墩底部均取法向约束，外包混凝土两侧为自由边界，支管端部接椭圆形闷头。钢岔管管壳和加强梁网格剖分全部采用4节点S4板壳单元；镇墩混凝土采用8节点C3D8实体单元进行模拟；钢岔管与外包混凝土之间缝隙或垫层通过设置面-面接触来模拟，摩擦系数为0.6。

有限元模型建立在笛卡尔直角坐标系（X，Y，Z）下，XOY面为水平面，竖直方向为Z轴，向上为正，坐标系成右手螺旋，坐标原点位于主管与支管轴向交汇处。钢岔管和镇墩混凝土有限元计算网格如图4～5所示。

为了研究钢岔管与外包混凝土之间初始缝隙值和垫层材料的影响，对表3中3种方案进行了三维线弹性有限元分析。其中方案D-2中初始缝隙值按主管半径的4/10 000计算，即为1.04 mm；方案D-3中沿钢岔管上半周设置垫层，包括U梁和腰梁。

3钢岔管受力分析

根据计算结果，整理了正常运行工况下钢岔管管壳内、外、中面及三梁岔管的Mises应力，如图6～9所示；图10列出了钢岔管单独承载时的Mises应力云图以作对比。

对比3种联合承载方案和单独承载时的钢岔管应力云图，可以看出：

（1） 考虑外包混凝土方案下的钢岔管应力均较钢岔管单独承载时有显著减小，分岔管母线转折角附近不再有明显的应力集中，应力分布更为均匀，且三梁岔管应力相比单独承载也有大幅降低。这说明外包混凝土可大幅度减小钢岔管的结构应力和缓解应力集中现象。但由于闷头和部分支管裸露在外面，没有外包混凝土协助承担内水压力，支管出口处仍会产生一定的应力集中现象，3种方案下钢岔管的最大Mises应力均在此产生。

（2） 方案D-1钢岔管与混凝土完全接触，而方案D-2与D-3分别考虑了钢岔管与混凝土的缝隙和垫层的作用，钢岔管传递给混凝土的内水压力减小，因此钢岔管整体膜应力均较方案D-1大，但都小于钢岔管单独承载时的应力水平。

（3） 在进行外包混凝土配筋设计时，为了安全起见，应假定初始缝隙为0，即按照方案D-1中外包混凝土应力计算配筋；而在分析钢岔管应力时，应按缝隙值最大的 D-2方案进行评价，经与钢材允许应力比较，D-2方案钢岔管应力均可满足小于允许应力的要求，且有较大富余。

4混凝土应力与配筋分析

为对比分析方案D-1、D-2、D-3的外包混凝土应力，按照图11所示两种路径方向分别整理混凝土的最大主应力，其中原点O位于支锥管出口外包混凝土轮廓处右侧腰部中点，K为以O点为起点出发的水平距离，β为以O点为0°起点沿支锥管出口外包混凝土轮廓线逆时针旋转的角度。

上述路径下各方案混凝土最大主应力变化曲线如图12～13所示。分析可知，方案D-1支锥管出口附近混凝土最大主应力明显超过方案D-2与D-3，方案D-2混凝土应力最小。方案D-1在K路径上距O点约0.5 m范围内混凝土最大主应力均超过C30抗拉强度标准值2.01 MPa（图12），且其支锥管出口处混凝土最大主应力除支锥管出口轮廓线下方部分区域以外，其他位置也均超过抗拉强度标准值（图13）。而方案D-2与D-3在两路径上混凝土最大主应力均小于抗拉强度标准值。

这是因为方案D-1中钢岔管与外包混凝土完全接触，钢岔管所受内水压力能较好地传递给混凝土承担，因此其支锥管出口处附近外包混凝土最大主应力较大，出现应力集中现象，应重视此区域混凝土配筋情况。方案D-2由于钢岔管与混凝土之间存在初始缝隙，钢岔管受内水压力变形时，所受内水压力不会及时传递给外包混凝土，因此混凝土承担的内水压力最小，最大主应力最小。方案D-3在钢岔管与混凝土之间设置垫层后，在钢岔管受水压变形向外包混凝土传力时垫层起到了很好的缓冲作用，使得传递给周围混凝土的内水压力较小，支锥管出口处附近外包混凝土最大主应力较小。

根据SL 191-2008《水工混凝土结构设计规范》［8］中的拉应力图形法，将图14所示混凝土典型截面的合力与配筋列于表4。

分析表4中各方案岔管外包混凝土截面合力和配筋量可知：

（1） 当钢岔管与混凝土完全接触时（方案D-1），混凝土承担的内水压力最大，因此其最大主应力也最大。综合考虑各截面的配筋面积，建议从里向外配置3层环向钢筋，其中沿钢岔管表面布置一层钢筋，沿混凝土外缘布置两层钢筋，钢筋直径为25 mm，间距200 mm。

（2） 方案D-2考虑了缝隙以后，混凝土分担的内水压力减少，其整体所受应力不大，综合考虑各断面的配筋面积，建议从里向外配置2层环向钢筋，其中沿钢岔管表面布置一层钢筋，沿混凝土外缘布置一层钢筋，钢筋直径为22 mm，间距200 mm。

（3） 方案D-3钢岔管上半周设置了软垫层，混凝土上半周分担的内水压力较小，其最大主应力小于

下半部。同方案D-2类似，方案D-3混凝土整体拉应力不大，综合考虑各断面的配筋面积，建议从里向外配置2层环向钢筋，其中沿钢岔管表面布置一层钢筋，沿混凝土外缘布置一层钢筋，钢筋直径为22 mm，间距200 mm。

5结 论

本文通过对引调水工程中典型的通车三梁岔管进行单独承载分析、钢岔管与外包混凝土联合承载分析，得出以下结论：

（1） 考虑外包混凝土联合承载以后，钢岔管的受力变形显著降低，钢岔管应力更为均匀，外包混凝土可以改善钢岔管的应力集中现象。但3种外包混凝土方案均在支管与混凝土相交出口处产生应力集中，应特别注意该位置处钢岔管及闷头的受力情况。考虑初始缝隙和垫层作用以后，混凝土分担的内水压力减小，拉应力减小，整体所受拉应力基本上小于混凝土的抗拉强度，按照构造配筋即可。

（2） 设置初始缝隙方案虽与设垫层方案的钢岔管受力基本一致，但实际工程中钢岔管与混凝土之间的间隙不好确定和控制，且从限裂的角度而言，钢岔管与外包钢筋混凝土之间设垫层的方案更有优势，因此可以考虑在钢岔管与混凝土之间设置软垫层来充分发挥钢岔管的作用，同时减少配筋量，使岔管结构更加经济安全。

参考文献：

［1］GUPTA J，VAN DER ZAAG P.Interbasin water transfers and integrated water resources management：where engineering，science and politics interlock［J］.Physics and Chemistry of the Earth，2008，33（112）：28-40.

［2］沈佩君，邵东国，郭元裕.国内外跨流域调水工程建设的现状与前景［J］.武汉水利电力大学学报，1995（5）：463-469.

［3］伍鹤皋，徐文韬，江山，等.大管径引调水工程可开启式封门及法兰结构研究［J］.水利水电技术（中英文），2021，52（6）：206-214.

［4］陈玉恒.国外大规模长距离跨流域调水概况［J］.南水北调与水利科技，2002（3）：42-44.

［5］秦继章，伍鹤皋，马善定.一种新型岔管结构型式应用的研究［J］.武汉水利电力大学学报，2000（2）：31-33，107.

［6］伍鹤皋，PD葛斯林，丁旭柳.压力管道分岔管段合理形式的研究［J］.水利水电快报，2000，21（4）：62-92.

［7］中华人民共和国水利部.水利水电工程压力钢管设计规范：SL/T 281-2020［S］.北京：中国水利水电出版社，2020.

［8］中华人民共和国水利部.水工混凝土结构设计规范：SL 191-2008［S］.北京：中国水利水电出版社，2009.

（编辑：郭甜甜）