摘要：

在大件設(shè)備吊裝工程中，經(jīng)常遇到吊車站位下方有埋地管道，通常的埋地管道有鋼制管道、素混凝土管道、承插式混凝土管道、企口式混凝土管道等。其中企口混凝土管道由于端口是剛性插接加橡膠墊密封，混凝土是塑性材料，再加上鋼筋籠的耦合作用，計(jì)算難度相當(dāng)大。同時(shí)大件設(shè)備吊裝工程又屬于高風(fēng)險(xiǎn)性工程，由于吊車自重大、吊裝物體重量大，造成整個(gè)吊裝系統(tǒng)重量大。因此對(duì)地基承載力、均勻沉降度的要求很高。地下埋地管道需要進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)計(jì)算，確保埋地管道不會(huì)損壞，否則造成吊裝地基失穩(wěn)，吊車傾覆的危險(xiǎn)，或者埋地管道受損造成生產(chǎn)企業(yè)因故障停工。由于混凝土管道比較復(fù)雜，普通解析法無法計(jì)算混凝土管道是否受壓損傷，接口是否受壓錯(cuò)開，造成功能失效。本文通過有限元對(duì)某煉化項(xiàng)目中吊車站位區(qū)域下企口式連接鋼筋混凝土雨水管進(jìn)行損傷數(shù)值分析研究。

關(guān)鍵詞：埋地管道、吊車站位、有限元、企口式、數(shù)值分析

1.  前言

由于土的性質(zhì)的復(fù)雜性，影響因素的多樣性以及作為天然材料的不可控的性質(zhì)變異，在解決實(shí)際問題時(shí)，經(jīng)典力學(xué)往往難以奏效。土具有顆粒性、流動(dòng)性，在受壓過程中既有彈性變形也有塑性變形，利用解析法往往只能計(jì)算彈性變形范圍，或者計(jì)算塑性變形時(shí)非常麻煩，計(jì)算結(jié)果相對(duì)不準(zhǔn)確；

鋼筋混凝土管道作為一種復(fù)合材料本身強(qiáng)度計(jì)算比較復(fù)雜，同時(shí)傳統(tǒng)計(jì)算中為了簡(jiǎn)化計(jì)算往往加入了經(jīng)驗(yàn)性系數(shù)造成誤差偏大。

文本通過利用數(shù)值分析方法計(jì)算某煉化項(xiàng)目中XGC88000型4000噸履帶吊單側(cè)履帶下方埋地鋼筋混凝土地管的計(jì)算分析。并分析找出損傷位置以及開裂位置。

2.  工況介紹

4000噸履帶吊一側(cè)履帶下方有一外徑2.2米的，壁厚220mm、每段5m長(zhǎng)的企口式鋼筋混凝土管道。

3.  有限元計(jì)算分析

3.1 建模

本校核中采用ABAQUS建模。模型尺寸如下：

	固化層m	淤泥層m	鋼板m	雨水管m
長(zhǎng)	30	30	15	30
寬	30	30	7	2.2（外徑）
高	1.9	8.1	0.4	0.22（厚）

 

1）下圖中：藍(lán)色為路基箱；

紅色為淤泥；

綠色為固化層：

灰色為沙子墊層：最薄處厚0.6m

模型裝配圖（1）

2）管道為柔性企口管，5米一段；

企口管道組合圖（2）

 

鋼筋籠：根據(jù)規(guī)范：環(huán)筋間距400mm，縱筋間距150mm，直徑5mm（3）

 

 

單個(gè)5米段雨水管（4）

 

3.1 前處理

采用ABAQUS 6.14版進(jìn)行前處理

1）.網(wǎng)格類型：

結(jié)點(diǎn)總數(shù): 397600

單元總數(shù): 359505

單元類型: C3D8R 線性 六面體   

模型整體網(wǎng)格（5）

 

對(duì)淤泥圓孔周圍切分細(xì)化為中心輻射型網(wǎng)格連續(xù)性過渡；（6）

 

 

管道網(wǎng)格（7）

 

3.3 材料屬性：

固化土、淤泥（基于摩爾-庫倫彈塑性原理）

混凝土（基于彈塑性混凝土損傷塑性原理）

固化層相關(guān)參數(shù)根據(jù)地勘報(bào)告得出

密度（kg/m^3)	彈性模量pa	泊松比	摩擦角°	膨脹角°	粘聚力pa
1900	50000000	0.1	15	0.1	40000

 

淤泥層相關(guān)參數(shù)根據(jù)地勘報(bào)告得出

密度（kg/m^3)	彈性模量pa	泊松比	摩擦角°	膨脹角°	粘聚力pa
1800	8000000	0.4	4.2	0.1	24100

 

混凝土相關(guān)參數(shù)

密度（kg/m^3)	彈性模量pa	泊松比
2350	32500000000	0.2

（C40本構(gòu)模型屬性）

膨脹角	偏心率	FB	K	粘性參數(shù)
15	0.1	1.16	0.66666	0.0005

混凝土受壓參數(shù)

受壓行為
屈服應(yīng)力	非彈性應(yīng)變	損傷參數(shù)	非彈性拉緊
18760000	0	0	0
26800000	0.00076481	0.060751	0.00019
16909700	0.00265856	0.249562	0.000817
10469900	0.00444614	0.483663	0.002014
7378840	0.00613068	0.773439	0.006422
5650070	0.0077733	0.84606	0.01
4562410	0.0093962	0.918817	0.02
3819830	0.0110085	0.94492	0.03
3282340	0.0126144
2876020	0.0142164

 

 

 

混凝土受拉參數(shù)

受拉行為
屈服應(yīng)力	開裂應(yīng)變	損傷參數(shù)	破裂拉緊
2413900	0	0	0
2390000	3.09E-05	0.623855	0.00019
1263670	0.00017	0.868814	0.000817
815537	0.000288	0.936374	0.002014
615229	0.000399	0.985622	0.006422
501733	0.000507	0.983194	0.01
428080	0.000614
376039	0.00072
337082	0.000825
306681	0.000931
101338	0.004176

 

3.4 約束方式：

根據(jù)實(shí)際工況，對(duì)淤泥底部約束Y軸向位移。

3.5 接觸方式：

1）面與面之間設(shè)置摩擦接觸

鋼-固化	混凝土-淤泥土	淤泥-固化	其余
0.3	0.3	Tie連接	0.3

2）鋼筋籠與混凝土嵌入式接觸

3.6 加載方式：

    在路基箱上均布加載，27t/m²。

3.7 結(jié)果分析

1） 固化層與淤泥應(yīng)力位移分析結(jié)果

 

 

地基應(yīng)力云圖-Y方向截面（144.9KPa）（8）

 

X-截面應(yīng)力云圖（9）

 

位移云圖-Y截面（52.51mm）（10）

 

位移云圖-X截面（11）

 

節(jié)點(diǎn)位移走勢(shì)云圖（12）

2） 管道分析

 

 

應(yīng)力云圖（10Mpa）（13）

 

Y向截面圖應(yīng)力云圖（14）

 

X截面圖應(yīng)力云圖（15）

 

位移節(jié)點(diǎn)走勢(shì)云圖（整體位移為43.64mm）（16）

管道整體位移云圖（17）

最大值與最小值相差：4.364-2.24=2.124*0.01=0.02124m

 

管道整體Y截面位移云圖（18）

 

位移最大部位的中間兩節(jié)（19）

最大值與最小值相差：4.364-3.41=0.954*0.01=0.00954m

 

 

局部放大圖（20），下方連接處相差0.00655902m

 

3） 管道自身強(qiáng)度分析

 

混凝土塑性應(yīng)變值：0.0002789<0.002

自身強(qiáng)度滿足（21）

4.  結(jié)論

1）10MPa<16.1Mpa  強(qiáng)度滿足

2）0.0002789<0.002 損傷性滿足要求

3）因受壓管道節(jié)最大產(chǎn)生距離0.00655902m，由于是企口式管道，能承擔(dān)一定的不均勻沉降，和允許小轉(zhuǎn)角（1.5°以內(nèi)）且具有橡膠墊可以起到防漏水功能。

由于混凝土本身的特性復(fù)雜性，在工程計(jì)算中需要嚴(yán)謹(jǐn)計(jì)算。建議在大口徑管道且上面需要承載壓力時(shí)采用企口管，可減小被壓壞的概率。作者之前寫過一篇《基于有限元abaqus軟件對(duì)吊裝站位下混凝土地管損傷仿真分析》是針對(duì)承插管道的分析，因承插口用水泥灌漿密封，可簡(jiǎn)化為一根混凝土管道，這種管道不建議上面有重載，易破壞。

在大件吊裝工程中，當(dāng)起重機(jī)站位區(qū)域下有承插型剛接地下混凝土管道時(shí)建議進(jìn)行采取保護(hù)措施；當(dāng)有企口式混凝土管道時(shí)建議就管道情況、地質(zhì)情況、受壓情況進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算后再?zèng)Q定。