温度荷载作用下埋地FRPM管道受力性能分析.pdf

第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,2023收稿日期 2023-03-06基金项目 安徽省自然科学基金资助项目(2208085MA17);派河截污导流管道关键施工技术开发(W2021JSKF1083)作者简介 黄 虎(1982-),男,安徽合肥人,高级工程师,研究方向为水利水电工程的规划、设计、监督、建设以及新型水处理技术和设备的研究与开发;刘 咏(1987-),男,安徽合肥人,工程师,研究方向为水利水电工程的规划、设计、监督、建设以及新型水处理技术和设备的研究与开发;钟 礼(1999-),男,江西赣州人,硕士研究生,研究方向为微纳尺度材料的表界面力学性能、接触力学性能以及智能材料的力-电-磁-化学耦合性能调控等领域的理论与应用研究;郑鹏程(2000-),男,湖北黄冈人,硕士硕士生,研究方向为智能材料的表界面力学性能、接触力学性能研究;张振华(1977-),男,福建政和人,教授,博士,研究方向为水库岸坡稳定性评价与加固、土石坝与基础工程稳定.通信作者 闫瑞保(1995-),男,安徽合肥人,助理工程师,研究方向为水利水电工程的规划、设计和监督建设以及新型水处理技术和设备的研究与开发.doi:10.3969/j.issn.1006-7175.2023.09.013温度荷载作用下埋地 FRPM 管道受力性能分析黄 虎1,刘 咏1,闫瑞保1,钟 礼2,郑鹏程2,张振华2(1.安徽水安建设集团股份有限公司,合肥 230009;2.合肥工业大学 土木与水利工程学院,合肥 230009)摘 要玻璃纤维增强塑料夹砂管(FRPM)因其由新型材料结构所构成而具有诸多优良性能,已广泛运用于各类水利、化工和市政等工程中。由于该管道材料与传统钢筋混凝土的性能有显著区别,探索玻璃钢夹砂管在不同工况使用过程中的力学性能具有重要意义。温度是影响管道承压能力的主要载荷之一,地表与管道所在土层存在较大温差,不同季节管道土层的温度差异也非常大,对管道的力学性能有着较大影响。在具体工程建设中,需要对影响较大的因素进行细致分析,以便满足管道在各类施工状态下的要求,因此考虑温度荷载对 FRPM管变形的影响尤为重要。由于不同地形地貌中土质和施工方式的多样性,管-土间的相互作用一般相对复杂。因此,不能按照传统方式计算分析管道所受的压力及变形,需系统考虑管-土之间相互作用。由于管-土接触作用或者材料本构的非线性等行为,常常无法获得精确的理论解答。因此,工程上常用有限元分析方法,运用 ANSYS 有限元分析软件模拟求解埋地管道在温度荷载作用下的应力与变形。通过对比不同温度荷载下埋地管道的环向应力与变形,得出影响管道力学性能的重要因素。关键词玻璃钢夹砂管;有限元分析;施工方式;温度荷载中图分类号 O342;TU311 文献标识码 A 文章编号 1006-7175(2023)09-0061-06Mechanical Properties of FRPM Pipeline under Temperature LoadHUANG Hu1,LIU Yong1,YAN Rui-bao1,ZHONG Li2,ZHENG Peng-cheng2,ZHANG Zhen-hua2(1.Anhui Shuian Construction Group Co.Ltd.,Hefei 230009,China;2.School of Civil Engineer-ing,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)Abstract:Glass fiber reinforced plastic mortar pipe has been widely used in various hydraulic,16第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,2023municipal and chemical engineering pipeline projects,because of its outstanding properties.Since their constituent materials are fairly new,it is expected that their mechanical properties are significantly different from the traditional reinforced concrete-made pipe.As a result,it is of great importance to explore the mechanical response of the FRP sand pipe subjected to various engineering conditions.Temperature is one of the most important effects to bear pipe s sustainability,there is usually a big difference in temperature of the earths surface and pipeline,different season when the pipeline soil temperature difference is also very big,has a great influence on deformation of the pipeline,and in the construction of concrete engineering need to analyze the influential factors,in order to meet the requirements of pipeline in all kinds of construction state.Therefore,it is particularly important to consider the influence of temperature load on the deformation of FRPM tube.Because of the complex interactions between pipe and soil,the interaction between pipe and soil should be carefully considered instead of only calculating the earth pressure of pipe in the traditional way.Due to the nonlinear essential of contact behavior and nonlinear material constitutive law,it is difficult to obtain analytical solution.As a result,the finite element method embedded in the ANSYS software simulation was employed to solve the buried pipelines under different temperature load.The stress and deformation distribution of the pipe were systematically analyzed.By comparing the circumferential stress and deformation of buried pipelines under different temperature load,the critical factors affecting the mechanical performance of pipelines were evaluated.Key words:glass fiber reinforced plastic mortar tube;finite element analysis;construction method;temperature load 0 引 言随着生产技术的不断发展,管道被应用于经济社会的各领域中。当前,我国 70%的石油和99%的天然气是通过管道进行运输,其中绝大部分管道为埋地管道1-2。埋地管道作为各类流体的传输载体,是社会经济存在和发展的重要物质基础。西部大开发战略中的国家特大型基础工程之一“西气东输”和“南水北调”以及“引江济淮”就是典型的应用实例3。目前,我国的埋地管道工程多采用钢筋混凝土管道,尽管随着设计规范和施工技术规范等逐步完善,管道的安全性与实用性均有所保障,但钢筋混凝土管道仍有许多无法解决的缺点。如混凝土管道自重大,其自重也会成为管道所承受的荷载,在发生地基差异性沉降时更容易破坏。混凝土管道还有施工周期长、耐腐蚀性差等缺点。因此,我国的埋地管道工程需要应用一些新型材料,以取代混凝土管道,弥补以上缺陷4。玻璃纤维增强塑料夹砂管(Glass Fiber Re-inforced Plastic Mortar Pipe,又称玻璃钢夹砂管,简称 FRPM 管道)就是新型材料管道之一。玻璃钢夹砂管是以树脂为基体材料、玻璃纤维及其制品为增强材料、石英砂为填充材料而制成的新型复合材料,具有耐腐蚀性强、寿命长、重量轻、输水能力强、安装便捷、安全卫生不污染水质、强度高等优点。埋地管道的温度应力取决于温度变化产生的热胀冷缩变形和变形的释放程度,埋地管道所处地表温度与管道自身所处土层深度温度的差异,对管道的变形也会产生极大影响。因此,探究温度荷载作用下 FRPM 管道的受力分析尤为重要。近年来,国内外学者十分关注温度荷载对埋地管道的影响。2005 年,WU 等5采用 Donnell壳理论,对热弹性圆柱壳的稳定性进行了研究。2011 年,郭琳6结合冻土水热耦合迁移方程,建立了水热力耦合模型。2016 年,WANG 等7采用辛方法,分析了等温条件下 FGM 输流管道稳定26黄 虎,等:温度荷载作用下埋地 FRPM 管道受力性能分析第 9 期性问题。2020 年,陈士远8通过结合试验与数值模拟,分析了土体冻结及融化时的力学响应。本文主要针对沟埋式和隧道式施工方式铺设的埋地管道,通过有限元数值模拟方法,计算在不同温度荷载下埋地管道产生的应力和变形等力学性状的差异,分析埋地管道在不同温度荷载和边界条件下,其力学性状的变化规律,并分析其原因。由于管道的破坏形式多为环向应力过大导致管道破裂,因此本文重点关注管道环向应力与管道变形。1 有限元法及 ANSYS 介绍有限元法的基本思想:先把一个原来是连续的系统(包括杆系、连续体、连续介质)剖分成有限个单元,且其相互连接在有限个节点上,再对每个单元由分块近似的思想。有限元实质上是把具有无限个自由度的连续系统,理想化为只有有限个自由度的单元集合体,使问题转化为适合于数值求解的结构型问题9。土体模型:土是一种复杂的多孔材料,在遇到外部荷载作用后,其变形具有非线性、流变性、各向异性、剪胀性等特点。在研究中,国内外学者根据对土体破坏形式的分析,提出了数百个本构模型,包括最初的线弹性模型、邓肯-张双曲线模型、Mohr-Coulomb 模型、Drucker-Prager 模型、剑桥模型等。本文中,土体均选用 Drucker-Prager 模型8,管道的各种材料均选用线弹性本构模型,并假设管道在各种工况下均未发生塑性变形或破坏。ANSYS 软件作为大型通用有限元分析软件,能够用于结构、热、流体、电磁、声学等学科的研究。ANSYS 的有限元分析基本过程可分为前处理、加载与求解、后处理 3 个部分。前处理主要包括定义材料、几何常数和单元类型,以及建立几何模型并划分网格。加载与求解主要是用边界条件数据描述结构的实际情况,即分析结构和外界之间的相互作用。后处理则是包括基本结果显示、生成结果动画、绘制路径图等几项主要内容10。2 埋地 FRPM 管道模型建立2.1 单元类型热分析的管道与土体均选择 PLANE77 单元。PLANE77 是二维 8 节点热单元,每个节点只有一个自由度 温度。8 节点单元具有一致的温度形函数,可以较好地适应具有曲线边界的模型。分别在土体与混凝土管道、混凝土管道与填充物、填充物与 FRPM 管道之间建立接触对,按照各个材料的弹性模量大小,分别选择混凝土管道外侧、混凝土管道内侧、填充物内侧为目标面,选择土体、填充物外侧、FRPM 管道外侧为接触面。目标单元和接触单元分别选择 TARGE169和 CONTA172。2.2 材料属性计算模型中,主要涉及地基土体、外层管道、中层填充物、FRPM 管道这 4 种材料,各材料物理力学参数见表 1、表 2。表 1 土体与外层、中层管道材料常数材料地基土体外层管道中层填充物密度/kgm-31 8002 3602 000弹性模量 E/MPa5030 00015 000泊松比 0.40.30.3黏聚力 c/kPa18内摩擦角/()30剪胀角/()30导热系数/W(mK)-11.111.280.2热膨胀系数/()-1110-5110-5110-5表 2 内层 FRPM 管道材料常数材 料水平位移/mm密度/kgm-3950弹性模量 EX=EY/GPa8.9EZ/GPa3.21泊松比 0.27切变模量 GXY/GPa1.8GXZ=GYZ/GPa2.82.3 土体与管道模型的建立FRPM 管道半径 1m,厚度 0.04m;中层填充物半径 1.04m,厚度 0.06m;外层混凝土管道半径1.1m,厚度 0.12m。管道埋深(管道中心到地表距离)5m,地基土体模型宽高为 10m15m(土壤恒温层取 15m 深,恒温 10)。由于该问题的结构和荷载均关于管道横截面竖向中轴对称,建立模型时可以取左半部分分36第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,2023析,以简化运算。ANSYS 提供了两种分析耦合场的方法:直接耦合法与间接耦合法。本文采用间接耦合法,将热分析所得节点温度作为温度载荷,导入结构分析模型上,再对模型进行结构分析。3 计算结果与分析3.1 不通水穿隧段管道热-力耦合分析在土体上边界施加温度边界-10、0、10、20、30,在土体下边界施加温度边界10(土壤恒温层),进行热分析,求解得出土体与管道温度分布。见图 1。图 1 不通水穿隧段土体与管道温度分布(地表-10)求解完成后,将热分析单元 PLANE77 转换成结构分析单元 PLANE183,将温度载荷 rth 文件导入结构分析中,施加重力与位移边界条并求解。由 于 PLANE183 号 单 元 无 法 使 用 经 典Drucker-Prager 模型,需要选用 Extend Drucker-Prager 模型代替。定义线性屈服函数和线性流动准则,输入扩展 D-P 模型所需的两个参数 C1(应力敏感度)和 C2(屈服强度):C1=6sin3-sin(1)C2=6Ccos3-sin(2)式中:为摩擦角;C 为土体黏聚力。由图 2 可以看出,混凝土管道各个控制截面的最大环向拉应力均随地表温度的升高而降低。由于土体与管道的热膨胀系数均为正值,随温度的升高而膨胀,使管-土之间的挤压作用增强,限制了管道的变形,最大环向拉应力也随之降低。由图 3、图 4 可以看出,地表温度的大小对混图 2 不通水穿隧段管道控制截面环向应力凝土管道的环向应力影响较大,也侧面说明混凝土管道是该管道结构主要的承载结构。地表温度对管道竖直方向变形影响较大,而对管道水平方向变形几乎没有影响。由于管顶与管底会有明显温度差,温度应力对竖向变形的影响较大,管道两侧的温度基本相同,因此对水平变形的影响较小。图 3 不通水穿隧段管道管底最大环向应力图 4 不通水穿隧段管道变形3.2 通水穿隧段管道热-力耦合分析在不通水管道的基础上,在 FRPM 管道内侧46黄 虎,等:温度荷载作用下埋地 FRPM 管道受力性能分析第 9 期边界施加温度边界 10,进行热分析,求解得出土体与管道温度分布,见图 5。图 5 通水穿隧段土体与管道温度分布(地表-10)求解完成后,将热分析单元 PLANE77 转换成结构分析单元 PLANE183,将温度载荷 rth 文件导入结构分析中,施加重力与位移边界条件,并在 FRPM 管道内侧施加满水水压力(2m),求解。由图 6 可以看出,混凝土管道各个控制截面的最大环向拉应力均随地表温度的升高而降低,分布规律同管内无水工况。管底的最大环向应力始终大于管顶与管侧的最大环向应力,管道的危险点位于管底。图 6 通水穿隧段管道控制截面环向应力由图 7、图 8 可以看出,混凝土管道的环向应力随地表温度变化规律同不通水管道。而中层填充物与 FRPM 管道的环向应力随着地表温度增大而增大。由于 FRPM 管内存在稳定温度,当混凝土管道随着温度上升而膨胀时,FRPM 管道与中层填充物所受影响较小,但由于与混凝土管道的接触,因此环向应力有小幅度增大。地表温度对管道竖直方向变形影响较大,而对管道水平方向变形几乎没有影响,这与不通水穿隧段管道基本一致,表明水压力对管道的变形影响可以忽略。管顶与管底之间的温度差导致温度应力对竖向变形的影响较大;而管道两侧的温度基本相同,因此对水平变形的影响较小。图 7 通水穿隧段管道管底最大环向应力图 8 通水穿隧段管道变形3.3 不同中层填充物导热系数下穿隧段管道力学性状通过改变中层填充物导热系数,研究中层填充物导热系数对埋地管道力学性状的影响,确定中层填充物是否需要选用隔热材料。在土体上边界施加温度边界-10,在 FRPM管道内侧边界施加温度边界 10。在土体下边界施加温度边界 10,改变中层填充物导热系数0.2、0.6、1 W/mK,进行热分析,求解得出土体与管道温度分布。求解完成后,将热分析单元 PLANE77 转换成结构分析单元 PLANE183,将温度载荷 rth 文件导入结构分析中,施加重力与位移边界条件,并在 FRPM 管道内侧施加满水水压力(2m),求解。见图 9-图 11。由图 9-图 11 可以看出,应力与形变受中层56第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,2023填充物导热系数的影响非常小。其原因是由于FRPM 管道的保温性能较好,因此中层填充物的导热系数的影响较小,施工时可以不对中层填充物的保温性能做要求。图 9 管道控制截面环向应力图 10 管底最大环向应力图 11 穿隧段管道变形4 结 论本文通过 ANSYS 有限元模拟,提取出穿隧段管道在不同温度边界条件以及不同填充物导热系数下 3 层管道的环向应力和竖直方向与水平方向形变。通过对比各组数据发现,埋地管道在不同季节的温度荷载作用下,应力与变形分布会产生相应的变化。计算结果显示,地表温度越低,管道的环向应力越大,因此应重点关注冬季时管道的安全性。由于 FRPM 管道的良好保温性能,管内是否通入恒温水以及中层填充物是否保温,不会对外层混凝土管道产生较大影响。温度的变化对管道竖向变形影响较大,而对水平方向变形影响较小。参考文献1 龚爱民,傅蜀燕,黄海燕.ANSYS 软件在分析地下埋管工程中的应用J.安徽建筑工业学院学报(自然科学版),2004,13(3):69-72.2 程梦鹏,甘丽华.挖掘载荷作用下埋地 RTP 管道的有限元分析J.天然气与石油,2016,34(4):22-27.3 李其朋.地基差异沉降下埋地管道的力学性状研究D.广州:华南理工大学,2009.4 贾彦武.公路路基钢波纹管涵洞受力与变形特性室内模拟试验研究D.西安:长安大学,2012.5 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