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基于静、动力场下河道暗渠管道设计优化研究

2023-11-09 20 上传者：管理员

摘要：为研究河道暗渠输水管道设计，采用建模仿真计算方法，分别对不同内径方案下管道结构静、动力场特征分析。研究表明，管道环向应力值最高，而内径愈大，轴、环向上压应力差距更大；内径参数在2.3 m前、后区间内，轴、环向上应力值受影响敏感有所差异。内径2.3 m方案下管道结构应力分布较合理，且应力值均满足设计要求。管道水平、径向位移与内径参数分别呈正、负相关特征。从结构动力场响应特征分析可知，加速度响应值在内径2.3 m后增幅会变大，不利于抗震设计。综合认为管道内径在2.3 m时更为合理。论文可为研究水利管道结构设计及对比优化提供参考。

关键词：
暗渠
水利灌渠
管道
设计
静、动力场
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引水管道乃是水利灌渠工程中常见的水工设施[1,2],针对水利管道开展设计研究，有助于推动水工设计水平与输供水工程运营效率。管道结构不仅与其自身稳定性有关，与周遭岩土层、上覆土体等均有密切关联性[3],故而综合性探讨管道结构静、动力场特征更利于工程设计对比。董航凯[4]、张磊等[5]为研究输、引水管道结构设计合理性，从室内试验角度，设计管道常规力学、蠕变力学试验，探讨管道结构力学特性与设计工艺参数关系，为实际工程建设及设计优化提供了依据。赵廷红等[6]从有限元模拟方法入手，通过对管道结构建立数值模型，探讨不同设计参数下管道位移、轴向应力与变形等影响特性，评价管道最优设计参数。也有徐雯雯等[7]、杜燕[8]以输供水、引水工程为背景，探讨了管道施工工艺与管道结构设计参数关联性，为管道在水利工程中应用设计提供了推广参考。不仅于此，管道结构在一些地震断裂带工程环境下，也许考虑其地震动力响应特征，张博等[9]、任森[10]采用地震波反应谱叠加、分解等方法，研究了管道结构等在动力荷载下响应特征，为管道结构的抗震设计提供了依据。

1、研究方法

1.1 工程概况

头屯河乃是昌吉地区重要输水通道，也是昌吉地区草林田湖重要绿色生态体系组成部分。为提高头屯河绿色生态水与灌溉用水的干渠分流，建设有头屯河堤防明、暗渠工程。全明渠采用现浇混凝土作为衬砌结构，渠坡坡降为1/1.5,渠底宽度为570 mm, 并铺设有厚度为80 mm的复合土工膜与砂垫层，渠底深度为1.28 m, 明渠渠坡全断面上均铺设有混凝土硬化层，厚度为400 mm, 主要面向于地表输水作用。头屯河部分河段涵洞建设现状如图1所示，由于洞室内存在部分沉降区域，埋设的输水管道同样需要进行衬砌设计，如图2所示。从设计方案优化考虑，新建暗渠管道内径分布在1.4～3 m, 不同的管道内径对上覆土层路面结构、下覆土基等，均有相应的静、动力响应，确保暗渠内输水管道的设计参数与地基、自身结构等相匹配，有助于暗渠内管道输水安全。为此，设计部门从暗渠引水管道内径参数设计出发，重点分析暗渠内管道结构、土基等影响变化，评价设计方案的利弊性。

图1 涵洞建设现状

图2 管道衬砌结构几何示意

1.2 设计仿真

为分析涵洞输水管道内径参数设计合理性，采用ABAQUS仿真平台对暗渠管道进行建模，图3为所建立的玻璃钢夹砂管数值模型。该模型在建立时，考虑管道内径远超过管壁厚度，故模型采用三层复合材料，微单元为壳单元，具有多个维度受力变形特征。管道内壁结构具有夹砂层、内衬层以及保护层等，均为复合壳单元，以不同的物理力学参数来区别模型单元的差异性。本模型中夹砂层、内衬层以及保护层的弹性模量分别设定为6.4 GPa、38 GPa、70 GPa, 全模型微单元网格共有98 282个，节点数76 254个。

图3 玻璃钢夹砂管数值模型

不仅如此，暗渠管道上覆土层也是分析重点，故而在考虑路面结构的前提下，建立图4(a)所示上覆结构模型，该模型中岩土物理力学参数以室内实测取值，而表面假定为硬化沥青路面，其结构层微单元弹性模量为1.8 GPa。结合上覆土层路面结构模型，下沉路基采用四面体岩土物理模型构件，深度为管底下方10 m范围，使之建立起桩号7+325处暗渠输水管道整体模型，如图4(b)所示。模型中上覆路面结构与输水管道的接触面设定为主从附属关系，前者为主面，后者为从面；而输水管道与下方土基、周边岩土层的接触亦为主从面关系，但主面为管道。外荷载包括有上覆路面结构承重荷载、有水工况时静水压力、管道结构自身重力等，管道结构静力场特征计算时上覆路面荷载以单辆车载进行分析，静水压力考虑水深为0.5 m。模型中边界条件分别设定在图4(b)的顶、底面处，分别具有但水平向自由度与全约束的定义边界。地震动响应特征下外荷载以EI Centro地震波开展计算，图5为该地震波0～8 s内时程谱，采用拟静力法进行叠加荷载，计算管道结构动力响应特征。

图4 数值计算模型

图5 加速度时程谱

从头屯河道暗渠现状考虑，管道内径应不超过2.8 m, 故设定管道内径方案阶次为0.3 m, 共设计有1.4～2.9 m六个方案，在各方案中仅改变管道内径参数，方案模型其他参数均保持一致，对管道结构静、动力场特征进行对比评价。

2、内径参数对管道静力特征影响

2.1 管道受力特征

根据对不同内径参数下管道结构的静力特征计算，获得内径参数与管道轴、环向应力变化关系，且分别给出了各向上最大拉、压应力变化，如图6所示。

从图中可知，不论是拉应力或是压应力，均以管道环向应力值最高，其拉应力分布为3.14～8.7 MPa, 而轴向上最大拉应力在各方案中与之差幅分布为56.2%～68.5%,在各设计方案中轴、环向最大拉应力位于内径1.4 m、2.3 m方案下，差幅分别达56.2%、68.5%,而在管道内径超过2.3 m时，管道轴向上拉应力处于较稳定。轴、环向压应力差幅分布为70%～80.2%,且当管道内径愈大，两向上压应力差幅愈大，由此可知，管道内径愈大，对结构轴、环向上应力平衡愈不利。

进一步分析拉、压应力在管道内径参数各方案中变化特征可知，管道内径增大，轴、环向上压应力均为递增，但增幅以环向最为显著，内径2 m、2.9 m方案下管道环向最大压应力较之内径1.4 m下分别具有增幅15.7%、78.6%,而管道轴向压应力在此对比过程中的增幅仅为8.5%、38.6%。当管道内径每阶次增大0.3 m, 可引起管道轴、环向最大压应力分别增长6.5%、12.9%。分析认为，管道环向压应力受内径参数影响愈为敏感。从拉应力变化可知，其受管道内径参数影响变化与压应力相反，两者为负相关特性，但管道轴向拉应力在内径2.3 m后稳定在1.2 MPa, 受内径参数改变影响较弱。管道环向最大拉应力随内径参数变化，降幅在减小，如在管道内径1.4～2.3 m阶次区间内，方案间内径0.3 m的变化，可引起管道环向最大拉应力减少23.7%,而在管道内径超过2.3 m后，方案间拉应力最大降幅仅为9.2%,平均降幅为7.5%。综合分析可知，管道内径参数对结构应力影响具有区间差异性，控制管道内径参数在合理区间即可，如本文计算结果表明内径超过2.3 m较为不适宜。

图6 管道轴、环向应力变化特征

图7为内径2.3 m方案下管道轴、环向应力分布特征。从图中可知，在该方案下轴、环向拉应力均未超过4 MPa, 而最大压应力亦未超过10 MPa, 拉应力分布区位于管道内侧边缘，分布区域较小，整体上该方案应力分布状态较合理。

图7 内径2.3 m下管道应力分布特征

2.2 管道变形特性

从静力场计算结果中可提取获得管道结构水平、径向上位移特征，如图8所示。分析图中位移特征可知，管道结构水平、径向位移与管道内径参数分别呈正、负相关特征。当管道内径为1.4 m时，水平、径向位移分别为4.2 mm、5.4 mm, 而内径为2 m、2.6 m、2.9 m时水平位移较前者分别增长了55.2%、89.7%、90.6%,而径向位移较之分别具有降幅36.5%、53.2%、53.6%。从位移的变幅可知，当内径参数低于2.3 m时，水平位移的增幅以及径向位移的降幅均处于较高，而内径参数超过2.3 m后，两向位移变幅均处于减弱态势。从具体变幅计算可知，在低于2.3 m时，内径方案间0.3 m的变化，分别可导致管道结构水平、径向位移分别增长22.2%与减少21.8%;而在内径超过2.3 m后，两向位移的变幅分别为2.3%、3.4%。从结构设计合理性考虑，不论是水平或是径向，位移值过高，均不利于结构安全稳定，而控制内径参数在2.3 m时，两向位移值均较合理，管道静力安全性较优。

图8 管道结构水平、径向上位移特征

图9 不同管道内径下结构加速度响应特征

3、内径参数对管道动力响应影响

根据对管道结构动力响应特征计算，获得了不同幅值地震波动荷载下各管道内径方案下结构加速度响应特征，如图9所示。

分析加速度响应特征可知，在不同幅值地震波动荷载下，加速度响应值随管道内径均为递增变化，如在幅值0.1 g地震波工况中，内径2 m、2.3 m、2.9 m方案下加速度响应值较之内径1.4 m下分别增长了16.6%、22.2%、127.4%,每阶次管道内径下，可导致结构加速度响应值增长14.7%,当地震波幅值增大至0.2 g后，结构加速度响应值随管道内径参数变化的增幅为18.8%,即地震波幅值愈大，则管道动力响应特征受内径参数影响愈为敏感。从管道结构加速度变化与管道内径参数关联性可知，不论地震波幅值高或低，结构加速度响应值的变化均具有“双增幅”特性，即前、后增幅段有所差异。在地震波幅值0.15 g下，当管道内径低于2.3 m时，结构加速度响应值增幅较稳定，平均增幅为9.2%,在管道内径2.3 m下加速度响应值为0.54 m/s2;而在内径为2.6 m、2.9 m时，结构加速度响应值的平均增幅可达30.5%、78.4%,结构动力响应能量较大[11]。而在其他地震波幅值下，均是如此，在管道内径2.3 m前、后具有增幅变化特点。综合结构动力响应特征可知，管道内径在2.3 m时，结构动力响应特征处于较可控状态，当超过2.3 m, 结构抗震设计处于较危险状态。

4、结语

(1)管道环向拉、压应力值均为最高；当管道内径愈大，轴、环向上压应力差幅愈大；管道内径增大，轴、环向上压应力均为递增，但以环向增幅最显著；管道轴、环向拉应力受内径参数影响与压应力相反，且环向拉应力在内径参数2.3 m后降幅减小，轴向拉应力在此之后稳定在1.2 MPa。

(2)管道结构水平、径向位移与管道内径参数分别呈正、负相关特征；且变幅在内径2.3 m后均为减弱；在低于2.3 m时，内径方案0.3 m的变化，分别可导致管道水平、径向位移分别增长22.2%与减少21.8%;而超过2.3 m后，变幅分别为2.3%、3.4%;内径2.3 m方案下管道轴、环向应力分布较合理，最大拉、压应力值均满足设计安全要求。

(3)加速度响应值随管道内径均为递增变化，且地震波幅值愈高，则加速度响应值受内径参数影响愈敏感；每个地震波幅值工况下，结构加速度响应值在内径2.3 m处具有“双增幅”特性，在该方案后加速度响应值增幅较大，抗震设计较危险。

(4)综合考虑，认为管道内径2.3 m设计方案更为合理。

参考文献:

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