内水压力作用下加劲环对压力钢管外围混凝土应力的影响.pdf

第 9 卷O 1 期 2 0 1 1 年 2 月 Vo 1 9 No 0 1 Fe b 2 0 1 1 内水压力作用下 加劲环对压力钢管外 围混凝土应力的影响 新 刚 ( 华东勘测设计研究院， 杭州 3 1 0 0 1 4 ) 摘要 ： 通过有限元分析， 从加劲环厚度、 高度及设置问距三方面， 探究内水压力作用下加劲环式压力钢管外围混凝土 环向应力的变化规律。计算表明， 加劲环厚度越大， 外围混凝土环向应力呈锯齿形波动 力 劲环高度越大， 外围混凝 土环向应力越小； 加劲环间距越大， 外围混凝土环向应力呈先增大后减小的趋势。另外， 从内水压力、 钢管厚度及压 力钢管半径三方面， 研究有无加劲环时外围混凝土环向应力差的变化规律。计算表明， 内水压力、 钢管厚度及压力 管道半径 越大 ， 加劲环对外围混凝土环向应力影 响越大 ； 相 比无加劲 环时 ， 加劲 环的设置使 得外 围混凝 土环 向应力 有所增大 ， 但幅度有限 。 关键词 ： 加劲环 ； 内水压力 ； 混凝 土应 力 中图分类号： T V3 3 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 2 1 6 8 3 ( 2 0 1 1 ) 0 0 1 0 1 0 8 0 2 Ef f e c t o f St i f f e n e r Ri n g O R t h e S t r e s s o f St e e l Pe ns t o c ks Ou t e r Co nc r e t e u nd e r I n ne r Pr e s s u r e YA( ) Xi n g a n g ( T h e E a s t e r n C h i n a I n s t i t u t e J b r S u r v e y a n d D e s i g n Re s e a r c h， Ha n g z h o u 3 1 0 0 1 4 ， C h i n a ) Ab s t c t ：Th r o u g h F EM ， t h e r e g ul a r o f t h e ho o p s t r e s s o f o u t e r c o n c r e t e o f s t e e l p e n s t o c k wi t h s t i f f e n e r r i n g un d e r inn e r pr e s s u r e h a s b e e n s t u d i e d in t h e a s p e c t s o f t h e wi d t h， he i g h t a nd d i s t a nc e o f s t i f f e n e r r ing The r e s u l t s ind i c a t e t h e h o o p s t r e s s p r e s e nt s s a wt o o t h v a r i a t i o n wi t h wi d e r s t i f f e n e r r i n g Th e h o o p s t r e s s i s i n c r e a s i n g l y l e s s wi t h hi g h e r s t i f f e n e r r ing The h o o p s t r e s s inc r e a s e s f i r s t l y， d e c r e a s e s a t l a s t wi t h l o n g e r d i s t a n c e o f s t i f f e n e r r i n g I n a d d i t ion ， t he r e g u l a r o f t h e h o o p s t r e s s d i f f e r e n c e o f o u t e r c o n c r e t e wh e n e x i s t i n g s t i f f e n e r r i n g o r n o t t o s t e e l p e n s t o c k h a s b e e n r e s e a r c h e d i n t h e a s p e c t s o f i n ne r p r e s s u r e。 wi d t h a n d r a d i u s o f s t e e l p e n s t o c k Th e r e s ul t s ind i c a t e t h a t t h e high e r p r e s s u r e， t h e wi d e r s t e e l p e ns t o c k a n d t h e b i g g e r r a d i u s i t i s ， t h e s t i f f e ne r r i n g c a n i mp o s e gr e a t e r e f f e c t o n h o o p s t r e s s o f o u t e r c o n c r e t e Co mp a r e d wi t h no s t i f f e n e r r i ng t h e h o o p s t r e s s o f o u t e r c o n c r e t e i n c r e a s e s wh e n s t if f e n e r r i n gs a r e s e t ， b u t t he inc r e a s i n g e x t e n t i s l i mi t e d Ke y wo r d s ： s t e e 1 p e n s t o c k， i n ne r p r e s s u r e ， s t r e s s o f c o nc r e t e 地下埋管常常采用增加加劲环的方法来提高稳定性 以及 在运输 、 施工时增加钢衬 的刚度 。关 于加 劲环式压力 钢管 的 抗外压失稳 ， 相关的研究成果E 较多。但是在内水压力作用 下加劲环对压力钢管 外围混凝 土应 力的影响 ， 这方 面的 内容 却鲜有研究成果。本文将借助 An s y s 软件进行有限元线性分 析 ， 探究加劲环的设置对压力钢管外 围混凝土应力的影响 。 1 计算模型及说明 由于加劲环厚度 、 间距等参 数是 变化 的 ， 因此各项 计算 所建立的模型不尽相同， 下面仅以其中一个较为标准的模型 进行说明。模型由钢衬 、 加劲环和素混凝土构成， 其中加劲 环厚度取 2 0 mm； 加劲环高度取 0 2 m 力 劲环间距 1 ml 压 力钢管半径 1 5 m； 钢管厚度 2 2 mi i 1 。内水 压力 3 MP a 。钢 管和加劲环的弹性模量 E 一2 1 0 GP a ， 泊松 比 “ 一0 3 。混凝 土的弹性模量 E=2 8 GP a ， 泊松比 u =0 1 6 7 。模型的轴向长 度取 ( 加劲环间距十6 ) m。 边界条件 ： 模型底部为固端约束 ， 轴向为 自由端 ， 其他 面 皆为法向刚性约束 。钢衬外围的混凝土厚度较大， 主要是为 了减小边界条件对计算结果 的影 响。 另外， 钢管、 加劲环和混凝土采用 8节点的等参块体单 元模拟 ， 不考虑混 凝 土和钢衬 、 加劲 环之 问 的接 触 。加劲 环 式钢管计算模型如图 1 所示。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 O 1 一 l 8 修回 日期 ： 2 0 1 1 - 0 2 1 0 作者简介 ： 姚新刚 ( 1 9 8 4) ， 男， 江西新干人 ， 工程师， 从事 水电站厂房设计 ： 作 。 1 0 8 工程技术 I 图 1 加劲环式钢管模型 肿 技 S 利 水W 与甜 讽 北 南 出 姚 新刚 内水压力作用下加劲环对压力钢管外 围混凝土应力 的影响 2 内水压力作用下加劲环式压力管道外围混 凝土环 向应力的变化规律 2 1 加劲环厚度对外围混凝土环向应力的影响 分别取加劲环厚度为 0 ， 1 0 mm， 1 5 mm， 2 0 mm， 2 5 mm， 3 0 mm， 3 5 mm， 4 0 n lF n ， 4 5 mm， 5 0 n l I n ， 5 5 mI T l ， 6 0 mm 进行 建模计算。计算结果整理如图 2 所示。由图 2可知， 加劲环 厚度越大， 混凝土环向最大拉应力呈锯齿形波动， 波动区间 为( 2 5 4 ， 2 6 4 ) MP a ； 当加劲环厚度 为 0时 ， 即不设 置加劲环 时， 混凝土环 向最大拉 应力为 2 5 6 MP a ， 当设置 加劲环 时 ， 混凝土环向最大拉应力基本上大于 2 5 6 MP a ， 可知设置加 劲环会加大混凝土环向最大拉应力。 芝 - K 嘣 厘 嫒 篷 加劲环厚 度 m m 图 2 加劲环厚度与混凝土环向最大拉应力的关系 2 2 加劲环高度对外围混凝土环向应力的影响 分别取加劲环高度分别为 0 1 m， 0 2 r n ， 0 3 m， Q 4m， 0 5 r n ， 0 6 m进行建模计算。计算结果整理如图 3所示。由图 3可 知， 加劲环高度越大， 混凝土环向最大拉应力越小， 但衰减速 度由快逐渐过渡到平稳 ， 同时波动区间( 2 5 4 ， 2 6 2 )MP a 较小 。 苣 _ K 嘣 _ 匡 鹾 赠 加劲环 高度 m 图 3 加劲环半径与混凝土环向最大拉应力的关系 2 3加劲环 间距对外围混凝土环向应力的影响 分别取加劲环间距为 0 5 m， 1 m， 1 5 m， 2 m， 2 5 m， 3 I T I ， 3 5 m， 4 r n ， 4 5 m， 5 m进行建模计 算。计算 结果整理 如图 4 所示 。由图 4可知 ， 加劲环间距越大 ， 混凝土环 向最大拉应力 呈先增大后减小的趋势， 但波动区间( 2 5 8 ， 2 6 1 )MP a ， 小。 窖 _K 嘣 匡 加劲环 间距 m 图 4 加劲环间距与混凝土环 向最大拉应 力的关 系 3 有无加劲环时外围混凝土环向应力的变化规律 本节主要从内水压力、 钢管厚度及压力钢管半径三方 面， 探究对压力钢管外围混凝土环向应力影响的敏感性。 3 1 内水压力对外围混凝土环向应力的影响 分别 取 内水 压 力 为 1 MP a ， 2 MP a ， 3 MP a ， 4 MP a ， 5 MP a ， 6 MP a 进行计算。计算结果整理如图 5 所示 。由图 5 可知， 内水压力越大 ， 有无加劲环时的混凝土环向最大拉应 力差越大 ， 即设 置加 劲 环对 混凝 土环 向最 大 拉应力 影 响越 大， 但从影 响的幅度 而言 ， 是较小 的。 内水压力 MP a 图 5 不同 内水压力作用下 。 有无加劲环时的混凝土 环 向最大拉应力差 3 2 钢管厚度对外 围混凝土环向应力的影响 分别取钢 管厚度为 1 0 mm， 2 0 mm， 3 0 mm， 4 0 mm， 5 0 m m， 6 0 H 1 m， 7 0 mm进行建模计算。计算结果整理如图 6 所示。由图 6 可知， 钢管厚度越大， 有无加劲环时的混凝土 环向最大拉应力差越大， 即设置加劲环对混凝土环向最大拉 应力影响越大， 但从影响的幅度而言， 是较小的。 毫 _ R 厦 鸶 咄 钢 管厚度 mm 图 6 不同钢管厚度 。 有无加劲环时的混凝土环向最大拉应力差 3 3压力钢管半径对外围混凝土环向应力的影响 分别取压力钢管半径为 0 5 m， 1 m， 1 5 m， 2 m， 2 5 I T I ， 3 m进行建模计算。计算结果整理如图 7所示。由图 7可 知， 压力钢管半径越大， 有无加劲环时的混凝土环向最大拉 应力差越大， 即设置加劲环对混凝土环向最大拉应力影响越 大， 但从影 响的幅度而言 ， 是较小 的。 善 擅 酋 - K 嘣 _ H 磐 0 0 7 0 0 6 压力钢 管半径， m 图 7 不 同压 力钢管半径下 ， 有无加劲环 时的混凝 土环 向 最大拉应 力差 ( 下转第 1 1 3页) 工程技术 1 O9 嘶呲。呲 李胜军等 钢筋混凝 土输水箱涵结构优 化设 计 写了复合形法计算程序， 并用该程序对输水箱涵结构的典型 断面进行了优化计算。优化设计前箱涵截面高度为 5 5 0 8 0 0 c m， 每延米混凝土用量为 3 0 1 m3 。配 8 夺 1 8钢筋， 每延 米箱涵钢筋用量为 1 3 9 7 5 k g ； 优化设计后箱涵截面高度为 6 0 0 48 5 0 c m， 每延米混凝 土用 量为 3 2 3 m3 。配 8 1 6钢 筋， 每延米箱涵钢筋用量为 1 1 0 4 1 。根据初步设计， 二级 钢筋价格为 5 0 7 3 9 元 t ， C 3 0混凝土价格为 3 2 7 2 元 m 3 ， 则 优化设计前 工程 每延米造价 为 1 6 9 3 9 5 元 ， 优 化设计后 工程 每延米造价为 1 6 1 7 0 7 元 ， 优化设计方案较常规方案节省了 7 6 8 8 元， 约占4 5 ， 因此优化设计对工程造价的降低具有 一 定的实际意义。初步设计与优化设计方案主要参数对 比 情况 ， 见表 1 。 表 1 初步设计与优化设计方案主要参数对比 ( 上接第 1 0 9页) 5 结论 以输水箱涵为主要构筑物的大型引水工程， 在修建箱涵 中既要注意安全性， 又要注意经济合理性， 因此， 箱涵的优化 问题就变得更具有现实意义。箱涵的优化设计过程， 关键是 建立合适的箱涵优化模型和选择合理高效的优化设计方法。 本文根据箱涵的结构特点和运行情况以箱涵壁厚和配筋面 积为设计变量， 以结构造价为目标函数， 建立了输水箱涵优 化设计的数学模型， 选用复合形法作为优化设计方法进行求 解， 其设计思路清晰， 计算方法成熟， 计算结果能够满足对工 程设计的要求。工程算例优化分析结果表明， 优化后箱涵造 价较原设计方案降低 4 5 ， 说明优化设计对降低工程造价 具有一定意义。 参考文献 ： E l i 蔡新 ， 郭兴文 ， 张旭明 工程结 构优化设计 E M 北京 ： 中国水利 水 电出版社 ， 2 o o 5 2 管枫 年 ， 洪 仁 济， 徐 尚壁 涵洞 M 北 京： 水 利 电力 出版社 1 9 8 3 E 3 苏金 明， 王永利 MATL AB 7 0实用指南 M 北京 ： 电子工业 出版社 ， 2 0 0 4 4 黄福才 ， 吴换营 ANS YS软件在现浇钢筋混凝土箱涵结构计算 中的应用 J 南水北调与水利科技 2 0 0 9 ， 7 ( 6 ) ： 3 0 8 3 1 3 4 结论 参考文 献 总结 以上分析 内容 ， 可 以得 到如下结论 。 r 1 加劲环厚度越 大 ， 外 围混凝 土环 向应力 呈 锯齿形 波 动； 加劲环高度越大， 外围混凝土环向应力越小 力 劲环间距 越大 ， 外 围混凝土环 向应力呈先增大后 减小 的趋势 。上 述趋 2 势都在一个较小的区间内波动。 内水压力、 钢管厚度及压力管道半径越大， 加劲环对 E 3 3 外围混凝土环向应力影响越大， 但影响幅度不大。 加劲环的设置使得外 围混凝土环向应力有所增大， 4 但幅度有限。 马文亮， 张喜东 ， 周 国燕 ， 等 加 劲环式压力 管道非线性有 限元 分析及稳定性计算 J 华北水利 水电学 院学报 ， 2 0 1 0 ， 3 1 ( 4 ) ： 3 6 3 8 周挺 ， 郑林仙 ， 陈亚君 带加劲环埋藏式压力钢管 的抗 外压 稳定 性分析 J 浙江水利水电专科学校学报， 2 0 1 0 ， 2 2 ( 2 ) ： 3 5 3 9 伍鹤皋 ， 陈观福 ， 王金龙 ， 等 埋藏式 压力钢管抗 外压稳定 分析 E J 武汉水利 电力大学学报 ， 1 9 9 8 ， 3 1 ( 4 ) ： 1 4 1 7 博嘉科技 有 限元 分析软件ANS YS融会 与贯通 M 北 京 ： 中国水利水电出版社， 2 0 0 2 工程技术 11 3