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波纹涵管

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鋼波紋管涵計算力學原理

发表时间: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,認爲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爲橢圓形,變形管道會擠壓兩側土壤,而土壤被擠壓後會産生抗力,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。

环压理论是20世纪60年代初美国犹他州立大学K. W. Reynold博士在美国钢铁协会(AISI)的赞助下研究、发展并完善的一种设计方法。环压理论认为:在深埋的地下圆弧结构中,结构周围土压力分布的不均匀性对管壁推力的大小和分布的影响很小。对于柔性的波纹钢埋置式结构,竖向荷载(恒载+活载)使管壁发生变形,挤压两侧土体,回填土体受到挤压后形成被动土压力。随着变形增大,土体与管壁承担的荷载重新分布,使管壁周围的土压力趋于均匀环压状态。结构受力分析时认为环向压力是一致的,管壁应具有足够强度来承担这种径向压力,计算简图如图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後制定的。當時認定波鋼管在大約20%撓度時會開始曲率反轉,設計要求撓度極限爲5%,從而提供了結構安全系數爲4。 

(4)撓曲 

柔性管和半柔性管在荷載下都容易産生撓曲變形,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爲控制標准,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,應變極限較爲寬裕。 

(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沈降區域使用的柔性管,其剪切力表現爲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産生而産生。 

(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産生;對于過水或排水管道,由于內壓的影響,泊桑效應也較爲明顯,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複應力通常不必考慮。


鋼波紋管涵的變形破壞


对于鋼波紋管涵的變形破壞方面的研究,钢波纹管在较大荷载下会达到其性能极限,但一般情况下都不是受单一因素影响造成的。导致钢波纹管性能极限发生的因素很多,并非仅仅是管壁破裂、管壁压屈、纵向焊缝的剪断或者管壁挠曲,所有的因素都有不同程度的相互关联,各种因素相互作用,相互影响。

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,雖然凹陷並非性能極限,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後,采用材料力學的方法分析波紋管的受力情況,並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,並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爲詳細的闡述。總的看來,波紋管的這種杆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 

波纹管的解析法是把波纹管的求解问题看成圆环壳与圆环板的求解问题,利用圆环壳和圆环板的线性理论,把圆环壳和圆环板的有关方程式代入约束条件,得到一系列的方程,通过联立方程组来求解。我国学者钱伟长、陈山林等采用解析法对波纹管进行了力学方面的研究,并提出了工程设计公式,可处理任意载荷作用下的轴对称环壳问题。 工业上应用的波纹管大多采用金属材料,在较大的位移下,其呈现出较强的非线性。因此,在很多可靠性要求比较高的管道系统中,采用常规的工业设计公式来计算是不够的,还需对波纹管进行严格的非线性分析。钱伟长、徐志翘、HuLiang等利用解析解与摄动解相结合的方法对外环壳和环板厚度变化的波纹管的大挠度问题进行了研究,并得出了一些有益结论。 总的来说,波纹管的解析法并不能解决波纹管的受力性能分析,其不仅受到波形的限制,而且计算冗长复杂。 

(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年蘇傑Synge對有限元法作了進一步的研究,並發表了專著。隨著電子計算機的飛速發展,以及生産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,使得有限元法成爲當今最爲有效且應用廣泛的分析工具。 

目前,有限元法已成爲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,計算結果較准確;與解析法相比,不受波紋管波形的限制,避免了其冗長複雜的計算過程;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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