地下钢筋混凝土圆管涵优化分析.pdf

第 o 8期 ( 总第 3 6 3期 ) 吉林水利 2 0 1 2年 0 8月 【 文章编号1 0 0 9 - 2 8 4 6( 2 0 1 2 ) 0 8 - 0 0 3 3 - 0 4 地下钢筋混凝土圆管涵优化分析 沈灵。 凌霄 ( 重庆交通大学河海学院， 中国 重庆4 0 0 0 7 4 ) 摘要】 针对钢筋混凝 土圆形管涵受力 问题 ， 以某一码 头煤炭堆 场管涵作为研 究对 象。首 先， 对管涵初始设计 构造 进行应力分析 。 结果发现 当管涵上部 回填 土的厚度 高于 2 0 m时 ， 现有规 范规 定的尺寸 已不再 符合实际工程要求 ， 甚至会致使涵管遭破坏 。然后 。 根 据初 始方案圆形管涵的体积最 小化问题， 通过有限元软件分析 ， 优 化 出既安 全又 经 济 的 管涵 型 号 。 关键词 管涵 ； 体积最 小化 ； 有限元 ； 优化 ； 安全 ； 经济 中图分类号 6 7 2 2 0 引言 随着经济的迅猛发展 。地下埋管 已广泛应用 于水利 、 市政等工程 中。 其 中钢筋混凝土圆管涵 因 其施工简便 、 工期短 ， 在码头堆场建设 、 水利、 公路 行业 中应用极为广泛 然而在其设计 中如何选择 其最优型式才能既发挥其最好的使用效果 。又可 避免 造 成施 工 问题 和 出现 管涵 开 裂 现 象 。是 工 程 界关注 的问题。本文针对某码头煤炭临时堆场的 管涵设计实例 ，采用有限元软件对其 截面进行破 坏分析及截面优化 ，为类似码头堆场的管涵结构 的设计提供参考。 1工程概况 某码头煤炭临时堆场建设前场地地层 由第 四 系杂填土、残坡积粉质粘 土及冲洪积粉细砂及下 伏侏罗系中统 的砂泥岩组成。堆场整改项 目中包 含一段地下钢筋混凝土管道设计 。初 步设计管涵 截面如图 I 所示 。管涵全长 2 0 6 m， 每 5 m一段 ， 根 据雨水流量 ， 选取 直径 D = I 5 m的管涵 ， 管顶 回填 土高度 Ho = 5 m。初步设计 ， 1 5 m管径管涵 ， 壁厚选 取为 1 1 5 ra m。 本项 目为煤炭堆场工程 ， 与常规的排 文献标识码 B 水管涵有所 区别 ， 其上部承受高度为 5 m 回填 土土 压力及煤炭堆货荷载等 ，所 以有必要对管涵受力 破坏情况进行分析 。需对本 工程管涵进行相对应 的结构优化设计。 2 0 1 0 1 0钢蛙网宽 L _ ， 搭 接 Kl o 0 l ：2 5 水泥 砂 浆 户 。 捕 人 管蜒 诛 。 、 一 。 1 ：2 5 水 泥 砂 浆 捻 相接 处 凿毛 ， D g 2 0 0 ，7 一 ， | C 2 0 砘 一 一一 i 熬勘 ： 嚣 2 优 化模 型 图 1 管涵截面设计 图 2 1 模 型分 析 根据文献 1 】 对于低压钢筋混凝土管道管壁厚 度最低可取 0 1 2 D， 则本工程 t m i n取 1 8 0 ra m， 且 圆 管涵的壁厚一般都小于 3 0 0 ra m， 所以管壁厚度 t 取 1 8 0 - - - 3 0 0 ram范围。当管壁厚度大于 l O O mm时 ， 宜 配置双层受力环筋 ，环筋 的保护层最小厚度不应 【 收稿 日期2 O 1 2 O 4 6 作者简介 i ( 1 9 8 6 一 ) 。 女 ， 福建省福 州市 硕 士研 究生， 重庆 交通大学河海学院港 口、 航 道及近海工程专业 ， 主要研 究方 向为 港 口、 海岸 工程结构度基础。 一 33 吉林水利 地下钢筋混凝土圆管涵优化分析 沈灵等 2 0 1 2年 0 8月 小于 2 0 ram。 根据文献【 2 。 环筋的保护层最小厚度不 应大于 3 5 m m。 环向钢筋的净距不应小于 2 5 n m a ， 纵 向钢筋一般可按构造配置。埋管管道混凝 土采用 12 2 5 砼。 钢筋采用 Q 2 3 5 ， 双筋布置。上部回填土为 粘性土 。基础采用 C 2 0砼 坐垫 ， M7 5浆砌 片石基 础。设管壁厚度为 t ， 根据 以上数据 ， 得到相应的数 学优化模 型， 目标 函数极小化， 每延米管涵混凝土 体积最小化 ： m i n V= 仃 ( R+ 力 - R x l = 3 1 4 ( 0 7 5+ 力 一 0 5 6 2 5 ( 1 ) 2 2 约束条 件分 析 几何约束条件为： 1 8 0mm t 3 0 0mm 考虑在最不利荷载组合 条件下 ，管 涵的三个 控制截面( 管顶、 管侧 、 管底) 上各控制点的环 向应 力 。 均限制在许可的应力范围之内。 应力约束条件为 ： l = 1 7 5 MP a ( 2 ) o - 2 = 1 7 0 MP a ( 3 ) 式 中： 为控制点的实际环向应力 ； 、 为混 凝土容许拉 、 压应力 ， 混凝土抗拉强度一般约为极 限抗压 强度 的 1 1 0 。 对于地下钢筋混凝土压力管来说 ，在正常使 用状态下 。 不允许出现裂缝 ， 钢筋与混凝土之间始 终保持共同变形 。 钢筋的应力水平不高 ， 远远高于 混凝 土的抗拉极限强度 ，因此在应力约束条件中 无需加入对钢筋应力的强度约束 3 。 钢筋混凝土管属于刚性管 ，当其横截面形状 改 变量 不 超过 0 1 管 径 时 ， 一般 不会 出现裂 缝 。 为了限制裂缝开展则需满足变形约束条件 ： 0 1 D= 1 5 m m( 4 ) 式中： 为管直径方向最大变形。 3 荷载计算 3 1 竖向土压 力计算 管道为下埋式管道 ，管顶竖向土压力标准值 按下式计算 ： = ( 5 ) 式中 ： 凡 为每延米管道土的管顶竖 向土压力 ( k N ， m 2 ) ； 为 回填土的重力密 度( k N m 3 ) ， 本 工程 管涵埋设在地下水位以上 ，故可取 1 8 k N ， m 3 ； 4 , 为 自设计地面至管顶的深度( n 1 ) ， 此处取 5 m； k 为填 3 4 埋式土压力系数 。 取 1 4 。 3 2 侧 向土压力计算 作用在地下管道上的侧 向土压力标 准值 ， 应按静止土压力计算 。侧 向土压力沿圆形管道管 侧的分布可视为均匀分布，其计算值可按管 中心 处确定 。采用 r K 克列恩的矩形分布假定c ， 其合 力标准值按公式( 6 】 计算 ： = a 0 H 0 t a n(4 5 。 一 孚)D 1 ( 6 ) 式中： 为管侧土压力标准值( k N m) ； 为回 填土的重力密度( k N m3 ) ， 取 1 8 k N ， m 3 ； 凰 为 自设计 地面至管中心处 的深度( m) ，本项 目取 5 7 5 m； D 为圆管外径 ， D = D + 2 t ， t 为管壁厚度； a o 为涵管突出 比 管顶至 C 2 0砼基础距离与管外径之比， 为 0 5 ； 为内摩擦角， 粘性土取 3 0 。 。 3 3 管节自重产生的垂直压力计算 G = ( 7 ) 式 中： G为管节 自重产生的垂直压力 ( k N m) ； 为管材容重 ( k N m 3 ) ， 取 2 5 k N m 3 。 3 4堆货 荷载计 算 根据文献 4 后方堆场堆货 ( 煤 )荷载 为 5 0 K P a ， 按均布荷载计算。 3 5 内水 压 力 文献 5 中提及 管壁厚度与管 内受到 的均匀 水压力之间存在关系， 由拉梅( L o m e ) 公式移项化简 得 出 ： 一 P 删 P 删 即 t x t f , J( 8 ) 式中： 为均匀内水压力设计值 ， N m m 2 ； ， ： 为混凝土的抗拉强度设计值 ， N m m ， 本项 目 图 2 管涵受力分 析图 吉林水利 地下钢筋混凝土圆管涵优化分析 沈灵等 2 0 1 2年 O 8月 到 2 O m，其受到的拉应力 已超出了混凝土的容许 拉应力值 ， 结构将遭受破坏。 4 2 优化模型分析 根据约束条件 ， 采用零 阶方法 ， 利用有 限元软 件优化模块乘子计算法 ，对直径为 1 5 m管涵模型 进行优化分析 ， 这种方法基 于统计学方法 。 运用于 在结构空间中所有的参量。其分析结果见表 2 。 表 2 优化分析结果表 注 ： 容许拉应力为 1 7 5 MP a 。 容许压应力为1 7 0 MP a 。 允许最大变形为 1 S mm。 根据表 2 ， 优化结果最优截面 ， 管壁厚度至少 为 2 3 9 mm， 其应力分析结果变形云图如图 8 、 图 9 。 。 一 5 15 34 4 7 3 1 29 13 2 E +一ff 图 8 X轴应力变形云图 一 3 6一 图 9 Y轴应力变形云图 结果显示 ， 当壁厚 t = 2 3 9 m m时 ， 其最大拉应力 1 7 4 MP a ，最大压应力 2 8 9 MP a ，其最大变形为 0 3 4 ra m， 均满足要求 ， 符合设计要 求 ， 且面积达到 最小 造价最低。 4 3 最 终 结果分析 根据优化结果 ，算得本项 目涵管管壁最优厚 度为 2 3 9 m m， 则每延米钢筋混凝土的体积 V= 仃 ( R+ - R x l = 3 1 4 ( 0 7 5+ O 2 3 9 ) 一 0 5 6 2 5 x 1 = 1 3 0 5 m3 管涵总体积为 2 6 8 8 4 m 3 。 5 结论 通过对 圆管涵进行有 限元模型分析 ，得 出以 下结论 ： 1 ) 通过对给水排水法规范中规定的一般尺寸 进行分析 ，当圆形管涵作为堆场管涵 ， 1 5 m管径 时，其上部回填土高度超过 2 0 m时 ，管壁厚度偏 小 ， 管道受到的拉压应力将超出容许应力 ， 管壁可 能开裂 ， 管道将遭受破坏。 2 ) 通过理论分析 ， 数值模拟优化 ， 按优化设 计 的圆管涵结构合理 ， 具有足够的承载力 ， 不会 出现 开裂 、 不均匀沉降等不 良现象。其造价低廉 、 施 工 方便 、 周期短。口 ( 下转第 4 2页) 吉林水利 变压器铁芯多点接地故障分析诊断 刘 日升 2 0 1 2年 0 8月 变化规律也基本相同， 则说 明绕组正常 ， 这样就可 完全排除 回路 内部的故障 ，如：引出导线接触不 良、 分接开关接触不 良、 导 电杆与相接 引线接触不 良等情况， 都可 以通过这个办法加以排除。 4 故障点的具体位置查找 对于具体位置的查找 。一般都是 在变压器退 出运行后进行 吊罩查找 。对于金属杂物等引起的 接地 ， 相对较为直观 ， 故障点查找较为容易 ， 处理 也容易。但对于非金属性的故障点 一般是找不到 的。实际中通常采用以下几种办法 ： 4 1 直流 法 就是将夹片与铁芯间的连片打开 。在铁轭两 侧 的硅片间加上 6 V的直流 。 用表依次测试硅片间 电压 ， 如果出现电压为零或指针反 向指示时， 那么 就可以判断该点就是故障点。 4 2交流 电流 法 在低压侧加入 2 2 0 V的交流 。 根据磁通 的互感 作用 ， 若 有故障点时 ， 可用电流表测 出其电流 ， 若 对铁轭不同级点测试 ， 当电流为零时 ， 则可认为是 故障点。 4 3 交流 电压 法 将正常接地点打开 ，给铁芯加 3 6 V的交流电 压 ， 如果故障点接触不是很牢 ， 那么在加压时 ， 会 听到轻微 的放 电声 ， 同时还产生微弱火花 ， 可依据 火花点位置 。 判断出故障点所在。如果 电流不断增 加 ， 电压几乎不变 ， 说 明故障点近似非金属接地 ， 可采用大电流法 ， 即用电焊机给铁芯加大电流 ， 当 电流加大到一定值时， 故障点处便产生微小燃烧 ， 当变压器油分解 冒烟处出现时 ，则可进一步明确 故障点位置。 5 结语 总之 ， 选择哪种方法 ， 要依实际情况而定 ， 有 时使用一种方法 ， 有时要用几种方法 的结合 ， 无论 哪种方法 ， 都要有事先的预测 ， 特别是选择需 吊罩 后检查的方法时， 由于停 电等耗费工时 ， 还造成 因 停 电而带来的间接经济损失 ， 因此需要谨慎选择 。 口 ( 上接第 3 6页) 参考文献 ： 1 】中国工程 建设标准化协会 C E C S 1 4 3 2 O 0 2培 水排水 工程埋地 预制混凝土 圆形管管道结构设计规租 S 】 北京 ： 2 0 0 3 【 2 河海大学 ， 大连理工大学 。 西安理工大学等 水 工钢筋 混凝土结 构 学 M 北京 ： 中固水利水电出版社 2 0 0 8 3 蔡斯 郭兴 文， 张旭明等 工程 结构优化设计 M】 北京： 水利水 电 出版 社 2 o D 5 4 邱驹 港工建筑物 M】 天津： 天津大学出版社， 2 0 0 5 【 5 田文锌 引水 管涵设 计 中的几个 问题探 讨 J 水利水 电为类似 工程设计提供 参考 工程设计 ， 2 0 0 2 2 1 ( 4 ) ： 1 2 1 4 【 6 】 r I L克列恩著 全 吾译 地下管计算【 M】 北京 ： 中国工业出版社 ， 1 9 6 4 7 温庆杰 叶见曙 上埋式钢筋混麓土圆管涵 内力计算 分析 J 公 路 交通科技 。 2 0 o 6 ： 【 8 中华人 民共和 固交通 部J T G T D 6 5 - 0 4 - 2 0 0 7公路 涵洞设 计细 则 S 河北 ： 2 0 0 7 9 】 安超 王大川 ， 王新奇等 南水北调 中线穿黄 工程 高填方 圆管涵 结构设计探讨 J 】 黄河规划设计 2 0 0 7 ： ( 2 ) 1 0 赵 平方 志等高等级公路 中钢筋混凝 土圆管涵的受力分析 【 C 中固公路 学会 2 0 0 2年学术交流论 文集 北京： 人民交通 出 版 社 2 o o 2 【 l l 】 贺建固 武汉市汉阳橱泗港泵站及雨水管涵工程【 J 】 中圆蛤水 排水， 2 0 0 7 。 2 3 ( 2 0 ) ： 6 4 - 6 6 1 2 】羽文益管涵破坏原 因及处理建议 J 】 黑龙 江科 技信 息 。 2 o o 8 8 ：22 6 An a l y s i s f o r Un d e r g r o u n d Re i n f o r c e d dr c u l a r Co n c r e t e S h e n L i n g ， L i n g Xi a o Ab s t r a c t ： T h i s p a p e r s t u d i e d t l 1 e r e i n f o r c e d c i r c u l a r c o n c r e t e c u l v e r t ， t a k i n g a c u l v e r t i n a p i e r c o a l y a r d a s a n e x a mp l e ； F i r s t y 。 i t a n a l y z e d t h e i n i t i a l d e s i g n s t r e s s o f the c u l v e r t ， i t s r e s u l t s s h o w e d tha t w h e n the t h i c k n e s s o f the c u l v e r t u p p e r b a c k f i l l h i g h e r tha n 2 0 m,the s i z e o f the e x i s t i n g s p e c i fi c a ti o n i s n o l o n g e r c o mp l y wi t h t h e r e q u i r e me ri t s o f p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g ， a n d e v e n c a u s e t h e c ulv e rt t o d e s t r u c t i o n 。 T h e n ，a c c o r d i n g t o the i n i t i a l p r o g r a m o f b o x c u l v e rt v o l u me mi n i m i z a ti o n p r o b l e m b y t h e fi n i t e e l e me n t s o f t w a r e an a l y s i s ，t o o p t i mi z e b o t h s a f e t y a n d e c o n o mi c c u l v e rt mo d e l s Ke y wo r d s： c u l v e rt； mi n i mi z e v o l u me ； fi n i t e e l e me n t me tho d； o p ti mi z a ti o n； s e c u r i t y； e c o n o my 一 42