倒虹吸钢管施工期抗曲屈性能研究

石振权，李兴江，徐 林

（1.中铁七局集团第三工程有限公司，陕西西安 710032；2.华北水利水电大学土木与交通学院，河南郑州 450000）

0 引言

滇中地区是云南省经济和社会发展的核心区域。该区是国家面向东南亚开发开放的桥头堡，是新一轮西部大开发的重点区域[1]。但由于其地处金沙江、澜沧江、红河、南盘江四大水系分水岭地带，降水量小、蒸发量大、旱灾频发、水资源短缺已成为制约滇中地区乃至云南省经济社会发展的关键因素[2]。滇中引水工程是国务院批准的《长江流域综合规划（2012—2030 年）》提出的解决滇中地区严重缺水问题的特大型调水工程，实施该工程可有效缓解滇中地区较长时期内的缺水矛盾，改善受水区河道、高原湖泊生态及水环境状况，对促进云南省经济社会协调、可持续发展具有重要作用[3]。

滇中引水工程由水源工程和输水工程组成。工程建成后，可从金沙江干流引水至滇中地区。倒虹吸是工程中常见的一种水利工程建筑物，在滇中引水工程楚雄段施工9 标工程中倒虹吸的总长为9.77 km。国内外高校、科研院所及设计院所对倒虹吸钢管的研究一直都在进行。龚顺风等[4]建立了数值模拟方法，分析管道长度、径厚比、初始椭圆率、钢材等级、钢材应变硬化特性和缺陷几何尺寸等因素对腐蚀缺陷管道曲屈失稳的影响。董文胜等[5]采用神经网络模型结合模拟退火算法，对水电站压力钢管失稳曲屈破坏进行数值仿真求解。张多新等[6]采用半解析柱壳有限条元法对鸭池河水电站地下埋管的局部、整体、加劲环的稳定性进行了计算和比较分析。本文以滇中引水工程中观音山施工期倒虹吸钢管为背景，用ANSYS 有限元软件模拟施工期钢管的不同工况，分析曲屈荷载。

1 倒虹吸计算模型

1.1 单元及材料参数的选取

倒虹吸钢管模拟使用SHELL93 单元，钢管材料为Q460，管半径为2.10 m，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，密度为7 850 kg/m3。

建模时，把钢管分成两半分别建模。模型均在柱坐标系下，两个坐标原点分别位于钢管模型两端面的中心，XY面与钢管截面平行，X，Y，Z轴分别对应钢管模型的径向、环向、轴向。

1.2 工况

根据施工期的实际情况，建立了两种工况。

1）工况一：考虑施工期的吊装外荷载。起吊位置在管长1/3 和2/3 处，绳子与钢管接触的地方。本文采用线性荷载来处理，荷载P=Pmaxφ[7]，其中，P为角度为φ时的分布力；Pmax为分布力中的最大值（φ为90°时）；φ为绳子与钢管接触角度。对两端加环向(Y)和轴向(Z)的约束，考虑钢管自重作用，进行特征值曲屈分析。荷载分布见图1。

图1 荷载分布示意图

2）工况二：均匀外压作用。XY面与钢管截面平行，X，Y，Z轴分别对应钢管模型的径向、环向、轴向，施加均匀外荷载，如图2 所示。

图2 均匀外荷载计算模型

2 倒虹吸钢管施工期三维有限元分析

2.1 工况一

14种组合的一阶模态主要有四峰形、双峰形和条带形3种形态，具体对应组合及屈服荷载见表1。

表1 3 种形态的一阶模态汇总

观察组合1，3，4，7，10，12 可知，管长不变，即吊装位置不变，壁厚越大，曲屈荷载越大，见图3。

图3 屈服荷载变化图

2.2 工况二

在均匀外压作用下，分别使用ANSYS 软件、Mises 公式、Bresse 公式、拉姆公式等计算方式计算不同管长、壁厚组合的失稳曲屈破坏，通过对比，分析各计算方式的适用性，各组合的计算结果见表2。

表2 各组合计算结果

观察15 种组合可看出，不同管长、壁厚组合的曲屈模态除了失稳波数不同、发生最大位移的位置不同外，形态类似。绘制管长分别为10.00 m，12.50 m时曲屈荷载-壁厚图像，以此来对比ANSYS计算结果与Mises 公式、Bresse 公式等计算结果的吻合程度，结果比较见图4、图5。

从图4、图5 可以看出，几种计算方式的曲屈荷载随壁厚的变化趋势是一样的，都是壁厚越大，曲屈荷载越大。在计算均匀外压作用下的临界失稳压力问题中，Mises 公式应用最广，其准确性被广泛认可，图4、图5 中ANSYS 软件计算的结果与Mises公式的计算结果最接近，而其他理论的计算结果与Mises 公式的计算结果偏差较大，说明ANSYS软件计算结果准确性较好，适合研究此类问题。

图4 管长为10.00 m 结果比较

图5 管长为12.50 m 结果比较

3 结语

倒虹吸钢管施工期间，在承受的荷载作用下，管道可能会发生失稳破坏，由此产生重大经济损失。因此，开展倒虹吸钢管的抗屈曲性能研究，具有重要的理论意义和工程应用价值。本文通过改变钢管的管长、壁厚组合，对两种工况（吊装外荷载、均匀外压）不同组合进行特征值曲屈分析，得出壁厚越大，曲屈荷载越大的结论，建议工程中适当增加倒虹吸钢管的壁厚，以保证钢管的抗曲屈能力。通过对比分析ANSYS 软件与各公式的计算结果，得出该软件计算外压失稳这类问题具有一定的准确性，可供倒虹吸钢管抗外压稳定性设计参考。此次研究仅对外压作用下的钢管倒虹吸进行了抗曲屈能力分析，实际施工时往往需要承受外压、轴向力和弯曲等多个组合荷载作用，未来将会扩展多种组合工况下的抗曲屈性能研究。