拼装式钢波纹管受力特性研究

靳洪波

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

1 概 况

对于钢波纹管的有限元计算分析的成果已有很多，但对于拼装的波纹管涵来说，有限元的分析计算则较少，主要原因是由于拼装波纹管涵建模比较复杂，因此大多数研究都简化成整体的波纹管来进行有限元分析研究[2]。本次研究通过建立较复杂的分管片建模，实体拼装的方式建立模型，分析其受力变形特征。选取波形尺寸为波高55 mm，波长200 mm，壁厚5 mm的钢波纹板，其波形如图1所示。

图1 波形示意图(单位:mm)

2 建立三维实体有效元模型

由于管道长度远大于管道直径，为简化计算模型，此次分析均取 8 个波长的管道长度进行建模计算，共计长度 1.6 m。管道直径分别取 2、4、6 m，由6片管片以搭接方式进行拼装。每个管片由波形草图旋转 62°形成实体模型，分别在0度、正负60度处形成直径 20 mm 的螺栓孔。螺栓孔均处在波峰和波谷处。管道模型及网格如图2所示。

图2 管道模型及网格

为方便土体模型的建立以及简化网格划分，螺栓模型用小圆柱体进行代替，拼接处由直径20 mm螺栓连接，高度为10 mm，与2片钢波纹管的厚度相同；为了土体模型不出现小边和小面，从而影响网格的划分，特将螺栓上下表面进行处理，使上下表面与管道表面处在同一曲面上。其模型及网格如图3所示。

图3 螺栓模型及网格

管道和螺栓材料均为structural steel，密度 7 850 kg/m3，弹性模量200 GPa，泊松比 0.3；土体假设为空间弹性体并服从于虎克定律，土体材料具体参数为密度 1 800 kg/m3，弹性模量30 MPa，泊松比 0.25[3]。土体采用实体建模，与波纹管充分接触，接触面与波纹管完全相同。波纹管两侧土体计算宽度各取管径+1 m，管底土体厚度不低于管径，波纹管顶面土体高度分别取 3、5、7 m。土体模型及其网格划分如图4所示。

图4 土体模型及网格划分

接触采用默认bonded类型，并使用MPC方程。分析时，土体下表面施加固定约束，侧面施加位移约束，限制表面法向的位移，只在添加重力作用的情况下进行计算，重力加速度为 9.8 m/s2，方向为Y轴负方向[4]。

3 等效应力分析

以直径2 m埋深7 m波纹钢管为例，从钢波纹管等效应力分布图(图5)来看，钢波纹管上方管片等效应力要小于两侧；钢波纹管的左右两侧2个管片，波谷处的等效应力较大，而波峰处的等效应力较小；上下2个管片，则是波峰处的等效应力较大，波谷处的等效应力较小。对于拼装波纹管来说，可以看到2个管片边缘处有明显的分界线，而且在螺栓附近以及在管片边缘附近，等效应力会出现高出周围区域的孤岛现象。这是由于在这些地方，改变了钢管片的几何整体性，使得应力重分布并产生应力集中。

为了比较钢波纹管在不同埋深不同管径条件下受力情况，并削弱只在局部出现的最大等效应力不具备代表性的影响，特选取侧面管片中间稍下部分区域的最大值来进行比较；而且在不同管径、不同埋深条件下，较高的等效应力都会在此区域产生，因此选择此区域等效应力最大值作为特征值进行比较分析， 具有更好的合理性并能得出更好的结果。

图5 直径2 m埋深7 m波纹钢管等效应力分布图

4 最大等效应力与管径及埋深关系

按照上述方法取等效应力最大值和侧面的最大等效应力作为特征值来分析，不同管径、不同埋深取值见表1。波纹钢管等效应力与管径、埋深的关系如图6所示。

表1 不同管径、埋深纹钢管等效应力特征值(单位：MPa)

a.等效应力与埋深关系图

b.等效应力与管径关系图

从图6可以看出，对于侧面相同位置处，相同管径时，埋深越大，等效应力也越大，且随着管径的增加，埋深的影响也逐渐增大；而在埋深相同时， 随着管径的增大等效应力也增大，且埋深越大管径的影响也越大。等效应力与埋深、管径有着近似的线性关系。另一方面，由计算程序计算出的最大等效应力，只能大概地反映出拼装波纹钢管中的等效应力随埋深、管径增大而增大的规律，而其数值则比较离散，不能代表钢波纹管的整体受力情况，这是拼装波纹管与整体非拼装波纹管的有限元计算的区别[5]。但这一点也提醒我们，由于管片拼装波纹管的特殊性，极有可能在局部的应力达到强度，从而导致局部的破坏，甚至影响整个管道的性能，这就对拼装波纹管道的施工、监测提出了更高的要求[6]。

5 结 论

(1)拼装式钢波纹管上方管片等效应力要小于两侧；两侧的管片，波谷处的等效应力大于波峰处的等效应力；上下两个管片，则是波峰处的等效应力大于等效应力。应力特征总的来说与整体式的钢波纹管相同，只是拼装式波纹管在局部会出现应力畸高的现象。

(2)随着管径和埋深的增大，钢波纹管的等效应力也增大，同一位置的等效应力近似呈线性增长的趋势。

(3)波纹管的变形量随着埋深、管径的增长有着较好的线性增长关系。竖向变形量大于水平向的变形量，波纹管在变形后成椭圆的形状。