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      波紋涵管

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      鋼波紋管涵計算力學原理

      發表時間:2021-10-25 15:35:15

      波紋鋼管涵屬于柔性管道,對于柔性管道內力的分析通常采用環壓理論,認為土體和管道之間存在相互制約和相互影響關系。隨著填土高度的增加,管道截面由圓形逐漸變為橢圓形,變形管道會擠壓兩側土壤,而土壤被擠壓后會產生抗力,進而導致管道周圍土壓分布趨于均勻化。這種分布狀態使得主動土壓力無論如何增加,管道周圍土壓力也能保持均勻環壓狀態,從而有助于提高管道承受外荷載能力。因此,在土體和管道體系中,土壤約束著管道,改善了管道截面抗變形能力,提供附加連續環向支撐。

      環壓理論是20世紀60年代初美國猶他州立大學K. W. Reynold博士在美國鋼鐵協會(AISI)的贊助下研究、發展并完善的一種設計方法。環壓理論認為:在深埋的地下圓弧結構中,結構周圍土壓力分布的不均勻性對管壁推力的大小和分布的影響很小。對于柔性的波紋鋼埋置式結構,豎向荷載(恒載+活載)使管壁發生變形,擠壓兩側土體,回填土體受到擠壓后形成被動土壓力。隨著變形增大,土體與管壁承擔的荷載重新分布,使管壁周圍的土壓力趨于均勻環壓狀態。結構受力分析時認為環向壓力是一致的,管壁應具有足夠強度來承擔這種徑向壓力,計算簡圖如圖3所示。

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      柔性管涵的破壞方式


      對于柔性涵管的破壞方式,跟大多數結構物一樣,從工作安全性上考慮,埋地管在設計中需考慮其性能極限。埋地管的性能極限主要包括管壁破壞(應力)、管壁壓屈、撓曲、剪切荷載、疲勞等。 

      (1)管壁破壞 

      管壁破壞用于描述延性材料的局部屈服,或脆性材料的破裂失效。性能極限是在壁內應力達到管材的屈服應力或極限強度時達到的。環向壓縮應力是主要因素(見圖2.5)。有時彎曲應力也可能導致管壁破壞。

      (2)管壁壓屈 

      壓屈不是一種強度的性能極限,但可能由于勁度不夠而發生。壓屈現象在承受內部真空、外部靜壓或高土壓的柔性管中出現可能性較大(如圖2.6)。管的柔性越大,管壁結構在抵抗壓屈方面就越不穩定。


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      (3)曲率反轉 

      曲率反轉是一種撓曲現象,如果撓度受到控制,就不會發生。塑性鋼管的曲率反轉性能極限是在衣阿華公式發表不久后制定的。當時認定波鋼管在大約20%撓度時會開始曲率反轉,設計要求撓度極限為5%,從而提供了結構安全系數為4。 

      (4)撓曲 

      柔性管和半柔性管在荷載下都容易產生撓曲變形,在柔性管和半柔性管設計中,撓曲是其一個重要設計參數。柔性管的設計以撓曲設計極限作為控制標準,實際計算出來的設計撓度應等于或小于設計撓度極限,以限制彎曲應力或應變,如圖2.7和圖2.8所示。撓曲設計極限不是性能極限,性能極限一般要考慮一定的安全富余。撓曲設計的傳統方法是使用Spangler的衣阿華公式;隨著有限元法的成熟,應用有限元法進行鋼波紋管涵洞設計的方法將會得到普遍應用。


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      (5)應變極限 

      應變與撓度具有一定的相關性,但通常只有脆性、組合或填充料多的材料才需要進行受控于應變的安全設計,對于金屬材質的柔性管,特別是常用的鋼質波紋管,有著良好的延展性,應變極限較為寬裕。 

      (6)彎曲應變 

      對于大多數實壁管的彎曲應變計算均可采用橢圓形的假設,計算公式如下:

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      (7)剪切荷載 

      對于有不均勻彎曲或差別沉降區域使用的柔性管,其剪切力表現為局部化的剪切荷載較大,變化幅度也較大,而且此荷載不容易進行定量分析。此外,剪切荷載往往會伴隨著軸向彎曲的產生而產生。 

      (8)軸向應力 

      對于焊接鋼管而言,由于受溫度影響較大,溫度的變化會導致其膨脹或者收縮,柔性管的變形破壞就容易在焊縫處產生;對于過水或排水管道,由于內壓的影響,泊桑效應也較為明顯,因此,對于長度較大的涵管在安裝設計和施工中應盡量減小其軸向彎曲變形。 

      (9)疲勞 

      對于道路、市政工程中常用的排水管道和化學工業中的壓力流管道,管道中的流體對涵管的長期影響較大,其疲勞性能極限應予以考慮。埋深較大或覆土較厚的涵管,車輛的活動荷載造成的反復應力通常不必考慮。


      鋼波紋管涵的變形破壞


      對于鋼波紋管涵的變形破壞方面的研究,鋼波紋管在較大荷載下會達到其性能極限,但一般情況下都不是受單一因素影響造成的。導致鋼波紋管性能極限發生的因素很多,并非僅僅是管壁破裂、管壁壓屈、縱向焊縫的剪斷或者管壁撓曲,所有的因素都有不同程度的相互關聯,各種因素相互作用,相互影響。

      當涵管埋設在密實土中時,在涵管管壁處發生破裂通常是達到性能極限的最初征兆。管壁的破裂強度等于屈服點應力乘以管道單位長度的斷面積。波紋的輕微凹陷是最先可見的危險信號,雖然凹陷并非性能極限,但預示了管壁發生破裂的位置。深波紋的性能極限多趨向于兩側的塑性鉸而非曲率反轉。淺波紋只是在土壓縮性很大時在兩側形成塑性鉸。


      現有波紋管涵力學分析方法

      波紋管具有轉換、補償、連接和儲能等功能,因而在石油、化工、冶金及儀表等領域得到廣泛應用。但隨著波紋管推廣和特殊工程的應用,在使用過程中,出現了一系列的力學問題,這就促使人們對其靜態與動態的力特性進行深入和系統的研究。通過研究波紋管相關文獻表明,對波紋管的受力特性的研究,目前主要采用工程計算法、解析法和數值計算法。 

      (1)工程計算法 

      工程計算法通過直梁或曲梁模型對波紋管進行簡化處理后,采用材料力學的方法分析波紋管的受力情況,并給出一些簡單的設計公式和圖表以供工程使用。Litingxin、HamadaM、Qingyi、等學者都采用工程計算法對波紋管進行了力學方面的研究,并得到了一些有效的計算公式。我國學者樊大均對波紋管的各種工程計算作了較為詳細的闡述??偟目磥?,波紋管的這種桿梁計算模型在工程設計或大系統分析中是有效的,但用于其自身的靜動態分析卻略顯粗糙。 

      (2)解析法 

      波紋管的解析法是把波紋管的求解問題看成圓環殼與圓環板的求解問題,利用圓環殼和圓環板的線性理論,把圓環殼和圓環板的有關方程式代入約束條件,得到一系列的方程,通過聯立方程組來求解。我國學者錢偉長、陳山林等采用解析法對波紋管進行了力學方面的研究,并提出了工程設計公式,可處理任意載荷作用下的軸對稱環殼問題。 工業上應用的波紋管大多采用金屬材料,在較大的位移下,其呈現出較強的非線性。因此,在很多可靠性要求比較高的管道系統中,采用常規的工業設計公式來計算是不夠的,還需對波紋管進行嚴格的非線性分析。錢偉長、徐志翹、HuLiang等利用解析解與攝動解相結合的方法對外環殼和環板厚度變化的波紋管的大撓度問題進行了研究,并得出了一些有益結論。 總的來說,波紋管的解析法并不能解決波紋管的受力性能分析,其不僅受到波形的限制,而且計算冗長復雜。 

      (3)數值法 

      隨著計算機和計算數學的發展,用于分析波紋管力學特性的數值法應運而生,主要有有限差分法和有限元法等。1934年數學家Courant在分析扭轉問題時提出了有限元法,1952年蘇杰Synge對有限元法作了進一步的研究,并發表了專著。隨著電子計算機的飛速發展,以及生產實踐的應用和科研機構的推廣,有限元法對空間應力分析、非線性問題、動力分析等方面問題的分析日趨成熟,逐漸取代了耗時長、經費昂貴的結構模型試驗,使得有限元法成為當今最為有效且應用廣泛的分析工具。 

      目前,有限元法已成為工程數值分析的有力工具,已經廣泛應用于波紋管的力學計算中。相比工程計算法,計算結果較準確;與解析法相比,不受波紋管波形的限制,避免了其冗長復雜的計算過程;與差分法相比,可避免計算的不穩定性;較之實驗法可節約大量實驗費用。


      波峰、波谷受力特性

      對于波紋鋼波峰波谷處的受力分析,通過查閱文獻及相關的有限元分析得到,在波峰波谷斷面拉壓性能完全相反,頂板各監測面的環向應變以正負相間的形式循環出現(圖4),表明波峰與波谷斷面拉壓性能完全相反,覆土厚度越大則環向應變越大。

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