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2023 年 11 月下第 52 卷 第 22 期施工技术(中英文)CONSTRUCTION TECHNOLOGY103 DOI:10.7672/sgjs2023220103均布荷载作用对埋地管道影响的有限元分析王 东1,王沛怡1,李 炬1,杨小龙1,李卓霖1,齐 浩2(1.中国建筑第五工程局有限公司,湖南 长沙 410004;2.重庆大学土木工程学院,重庆 400045)摘要 城区的新建与改造使建筑物对土体的作用力增加,由此产生的附加应力将会对既有管线产生影响。为研究附加应力对管道的影响,将地表重载等占压荷载产生的附加应力简化为均布荷载,并利用有限元分析软件ABAQUS 建立管土相互作用模型,研究地表均布荷载作用下管道的受力与变形特点。通过与相关文献中的试验结果进行对比,验证了有限元分析方法的合理性与有效性。基于已验证模型的建模方法建立了 20 个管土作用模型,计算并分析了荷载大小、荷载位置、管道埋深、土体变形模量与管道材料等参数变化对埋地管道受力与变形的影响。研究表明:荷载越大、荷载位置越近、管道埋深越浅、土体变形模量越小,埋地管道的 Mises 应力与竖向位移越大;此外,管道材料的种类对埋地管道力学性能有明显影响,HDPE 受力变形大、分布应力均较小,钢管受力变形小、局部应力较大,在工程实际应用中应综合考虑不同管道受力与变形特性及其他使用需求进行管材选型。关键词 均布荷载;埋地管道;数值模拟;应力;位移中图分类号 TU732文献标识码 A文章编号 2097-0897(2023)22-0103-08Finite Element Analysis of Influence of Even Load on Buried PipelineWANG Dong1,WANG Peiyi1,LI J1,YANG Xiaolong1,LI Zhuolin1,QI Hao2(1.China Construction Fifth Engineering Division Co.,Ltd.,Changsha,Hunan 410004,China;2.School of Civil Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045,China)Abstract:The new construction and reconstruction of the urban area increase the force of the building onthe soil,and the resulting additional stress will affect the existing pipeline.In order to study the influenceof additional stress on pipelines,the additional stress caused by the heavy load on the surface issimplified as the even load,and the finite element analysis software ABAQUS is used to establish thepipe-soil interaction model to study the stress and deformation characteristics of the pipeline under theeven load on the surface.By comparing with the experimental results in the relevant literature,therationality and effectiveness of the finite element analysis method are verified.Based on the modelingmethod of the verified model,20 pipe-soil interaction models were established.The effects of parameterssuch as load size,load position,buried depth of pipeline,soil deformation modulus and pipeline materialon the stress and deformation of buried pipeline were calculated and analyzed.The results show that thegreater the load,the closer the load position,the shallower the buried depth of the pipeline,the smallerthe soil deformation modulus,the greater the Mises stress and vertical displacement of the buriedpipeline.In addition,the types of pipeline materials had a significant impact on the mechanical propertiesof buried pipelines.The deformation of HDPE is large and the distribution stress is small.The deformationof steel pipe is small and the local stress is large.In practical engineering applications,different pipelinestress and deformation characteristics and other use requirements should be comprehensively considered toselect pipe materials.Keywords:even load;buried pipeline;simulation;stress;displacement重庆市自然科学基金创新群体科学基金(cstc2020jcyj-cxttX0003);中建五局科技研发项目(CSCEC5B-2022-02)作者简介 王 东,高级工程师,E-mail:wangdong02 通信作者 王沛怡,硕士,助理工程师,E-mail:收稿日期 2023-07-270 引言 管道工程作为城市基础建设中不可或缺的部分,一直以来都是市政工程研究中的重点。随着城104 施工技术(中英文)第 52 卷市化进程的加快,建筑物的增多及施工过程重载等占压荷载将引起埋地管道的变形与破坏1。在占压荷载作用下埋地管道力学响应的研究中,荷载情况、管道参数等因素均对管道受力与变形有较大影响。淦邦等2应用 ABAQUS 建立三维管-土作用模型,分析了地表堆载对油气管道的影响,研究表明管道受力与荷载形状、荷载位移及大小有关。帅健等3建立了地基-管道三维有限元模型,分析了不同强度地基状态下地表荷载对管道的影响方式。郑辉等4基于有限元分析法对不同地基沉降类型建立管-土作用模型,确定了埋地管道的敏感区域,并为现场施工提供了指导。Zhang 等5采用有限元法研究了地面过载时管道的力学行为,研究表明,随着地面荷载的增大,最大应力与高应力区均增大,且管道内压对力学行为有较大影响。Liang 等6通过有限元分析发现聚乙烯管道在地面超载作用下的破坏模式主要为椭圆形变形,随着地面荷载的增加,管道的最大应力点由管顶、管底向管道中间截面转移。在以上研究基础上,本文通过有限元软件ABAQUS 建立管-土相互作用模型,将占压荷载简化为地表均布荷载,研究埋地管道的力学响应,获得管道的应力分布与管道变形等。同时,通过参数化分析的方式,研究了荷载作用位置与大小、土体变形模量、管道材料种类及埋深等因素对管道力学性能的影响,基于参数影响下管道力学性能的变化规律,总结得到均布荷载作用下埋地管道的力学性能变化规律,为埋地管道的设计与施工提供参考。1 工程概况 重庆一品河、黄溪河“清水绿岸”治理提升项目位于重庆市巴南区,主要建设内容包括水环境治理、水岸线治理、水生态保护与修复、水智慧系统及其他附属设施等,其中雨污管网工程是本项目的建设重点。由于雨污管网项目均位于城区,建筑密度大,且后续建筑物新建与改造等可能性较大,将对地表产生附加应力,通过管土相互作用引起管道的变形与应力变化。对埋地管道进行设计与施工时,应充分考虑地表荷载对埋地管道变形与力学性能的影响。2 有限元模型2.1 模型基本信息 利用 ABAQUS 建立管土相互作用模型,如图 1所示。土体尺寸为 30m18m15m;管道内径为1 200mm,壁厚 50mm,长 20m,居中放置;管道内壁底部距地表 6m。模型采用 ABAQUS 提供的三维 8节点六面体线性减缩积分单元(C3D8R)。本文将地表堆载简化为均布荷载,作用于管道正上方地表处,作用面大小为 2m30m。图 1 管土相互作用模型Fig.1 Pipe-soil interaction model2.2 材料本构关系 管土模型涉及管道与土体两种材料。管道材质为钢材,采用理想弹塑性本构,密度为 7 800kg/m3,弹性模量为 209 000MPa,泊松比为 0.3;土体本构模型选用莫尔-库伦模型,土体密度为 1 800kg/m3,弹性模量为 9MPa,泊松比为 0.4,内摩擦角 30,黏聚力为 10kPa7-8。2.3 相互作用 管土模型涉及的接触为管道外壁与土体之间的接触,管土相互作用采用面-面接触法模拟,将土体与管道外壁接触的面设置为主表面,将管道外壁设置为从表面。在法线方向上使用“硬接触”进行定义,在切线方向上采用罚函数定义,摩擦系数设为 0.49-10。2.4 边界条件与加载设置 边界条件设置如图 2 所示。管土模型底部采用固定约束,限制底面在 x,y,z 3 个方向的平动自由度与转动自由度;土体 4 个侧面模拟实际土体受力,在所在平面上限制垂直于其表面方向的平动自由度;埋地管道限制两端在 z 向的平动自由度11。模型加载通过对图 2a 中黄色加载面处施加均布荷载来实现,施加的均布荷载大小为 0.2MPa。2.5 管土作用有限元模型验证 根据上述管土作用模型的有限元分析方法对文献11中上部荷载为 0.5MPa 时的管土作用模型进行有限元模拟与对比分析,结果如图 3 所示。由图 3 可知,模拟结果与文献结果在曲线趋势与数值大小上均吻合良好,说明按照上述有限元分析方法对管土作用模型进行分析计算是合理的。2.6 参数分析 竖向荷载对埋地管道力学性能的影响主要包括荷载作用情况、土体密实度和管道材料性能。本文取荷载大小、荷载位置、管道埋深、土体变形模量、管道2023 No.22王 东等:均布荷载作用对埋地管道影响的有限元分析105 图 2 有限元模型边界条件Fig.2 Boundary conditions of finite element model材料 5 个参数进行管土作用模型的参数化分析。荷载大小以作用于加载面上的荷载值为准,作为 变 量,荷 载 Q 取 值 为:Q1=0.1MPa,Q2=0.15MPa,Q3=0.2MPa,Q4=0.25MPa,Q5=0.3MPa。荷载位置以荷载作用面中心线与管道轴线水平距离为准,如图 4 所示。其中标准组 L1取值为0m,L2=1.5m,L3=3m,L4=4.5m,L5=6m。管道埋深以管道内壁底标高与地表平面的距离为准,如图 5 所示。其中标准组取值为 6m。管道埋深 D 取值为:D1=2m,D2=4m,D3=6m,D4=8m,D5=10m。相关研究表明,土体密实度与土体变形模量有相关关系,土体密实度越大,则变形模量越大。本文以土体的变形模量变化表征土体密实度变化,土体变形模量 E 取值为:E1=3MPa,E2=6MPa,E3=9MPa,E4=12MPa,E5=15MPa。埋地管道常见管材有钢筋混凝土管、钢管、玻璃钢管(RPM)及高密度聚乙烯管(HDPE)等12-13,本文取以上 4 种材料研究管材对管土作用的影响,材料参数如表 1 所示。表 1 管道材料参数Table 1 Pipe material parameters项目密度/(kgm-3)弹性模量/GPa泊松比钢7 8002090.3HDPE1 38030.4钢筋混凝土3 000300.2RPM2 000720.23 有限元结果与分析3.1 基础组结果分析 均布荷载作用下管道与土体的 Mises 应力及竖图 3 管道沿程应力及位移曲线对比Fig.3 Comparison of stress and displacementcurves along the pipeline图 4 荷载位置示意Fig.4 Load position向变形如图 6,7 所示。其中 U2 表示竖直方向,规定竖向位移向上为正。本文模型与荷载均为对称设计,由图 6,7 可知,管道与土体的应力、变形均关于 xy 平面与 yz 平面对称。由图 6 可知,埋地管道的 Mises 应力最大值出现在管道两端,这是由于模型中埋地管道两端与土106 施工技术(中英文)第 52 卷图 5 管道埋深示意Fig.5 Pipeline buried depth图 6 Mises 应力云图(单位:MPa)Fig.6 Mises stress cloud map(unit:MPa)图 7 竖向变形云图(单位:mm)Fig.7 Vertical deformation cloud map(unit:mm)体连接部位接触条件设置不够理想化,从而导致该部位应力集中,应力值较大。管道两端到跨中 Mises应力出现先减小后增大的趋势;土体的 Mises 应力最大值出现在加载面处,且应力集中出现在管道上方区域,随着深度的增加,应力逐渐扩散并减小。由图 7a 可知,埋地管道的竖向位移最大值出现在管道跨中处,呈两端小中间大的趋势;土体的竖向变形最大值出现在加载面处,且随着深度的增加及与地表加载面处距离的增大,竖向位移逐渐减小。由图 7b 中可知,x 方向上土体两侧出现位移为正值的现象,分析原因为均布荷载的施加与应力扩散现象导致该处土体受到侧向土体的挤压应力,因此 x 方向上土体两侧出现上浮的现象使竖向位移值为正值。管道沿程的竖向位移与 Mises 应力变化曲线如图 8 所示。曲线趋势与上述云图的变化趋势一致。埋地管道的最大应力为 77.48MPa,跨中应力为36.87MPa,埋地管道的最大竖向位移为 9.84mm。图 8 管道沿程 Mises 应力与竖向位移变化曲线Fig.8 The variation curve of vertical displacementalong the pipeline and Mises stress3.2 参数影响分析 为研究荷载作用情况、土体密实度、管道材料性能相关参数对埋地管道的 Mises 应力、竖向位移的影响,本文以上文的管土作用模型为基础,进行参数化分析,并采用单一变量原则进行分析。此外,采用管道跨中处的应力进行对比分析,以避免应力集中的影响。3.2.1 荷载大小影响 不同大小荷载作用下管道应力与变形变化如图 9 所示。由图 9 可知,不同荷载作用下管道沿程的 Mises 应力与竖向位移分布曲线的趋势与基础组2023 No.22王 东等:均布荷载作用对埋地管道影响的有限元分析107 基本保持一致。随着地表均布荷载的增大,Mises 应力与竖向位移均呈增大的趋势。图 9 不同大小荷载作用下管道变形变化Fig.9 The deformation change of pipelineunder different loads管道中部应力与位移变化曲线如图 10 所示。由图 10 可知,随着地表均布荷载的增大,管道的Mises 应力与跨中竖向位移均呈线性增大。荷载由0.1MPa 增大至0.3MPa,管道跨中应力由18.29MPa增大至 55.31MPa,竖向位移的绝对值由 4.87mm 增大至 14.77mm,表明地表荷载大小对管道 Mises 应力与竖向位移的影响较大。图 10 不同大小荷载作用下管道中部应力与位移变化曲线Fig.10 The stress and displacement curves of themiddle part of the pipeline under different loads3.2.2 荷载位置影响 不同荷载作用位置下管道应力与变形变化如图 11 所示。由图 11 可知,不同荷载作用下管道沿程的 Mises 应力与竖向位移分布曲线的趋势与基础组基本保持一致。随着 L 的增大,Mises 应力与竖向位移的变化呈逐渐减小的趋势。图 11 不同荷载作用位置下管道应力与变形变化Fig.11 The stress and deformation curves ofpipeline under different load positions管道中部应力与位移变化曲线如图 12 所示。由图 12 可知,随着 L 的增大,管道的 Mises 应力与跨中竖向位移基本呈线性减小。加载距离 L 由 0m增大至 6m,管道跨中应力由 36.87MPa 减小至11.31MPa,竖向位移的绝对值由 9.84mm 减小至2.95mm,表明地表荷载位置对管道 Mises 应力与竖向位移有较大影响。图 12 不同荷载作用位置下管道中部应力与位移变化曲线Fig.12 The stress and displacement curves of the middlepart of the pipeline under different load positions3.2.3 管道埋深影响 不同管道埋深下管道应力和变形变化如图 13108 施工技术(中英文)第 52 卷所示。由图 13 可知,不同管道埋深下管道沿程的Mises 应力与竖向位移分布曲线的趋势与基础组基本保持一致。随着埋深 D 的增大,Mises 应力与竖向位移呈逐渐减小的趋势。图 13 不同管道埋深下管道应力和变形曲线Fig.13 Stress and deformation curves of pipelineunder different buried depths管道中部应力与位移变化曲线如图 14 所示。由图 14 可知,当 D 由 2m 增大至 4m 时,Mises 应力与跨中位移急剧减小,当 D 由4m 增大至10m 时,管道 Mises 应力与跨中竖向位移基本为线性减小,且趋势与前者相比较缓。埋深 D 由 2m 增大至 10m,管道跨中应力由 85.83MPa 减小至 19.04MPa,竖向位移的绝对值由 22.19mm 减小至 5.0mm。可知当管道埋深较浅时,地表均布荷载作用下易使埋地管道出现较大的应力与变形,对管道不利。在设计时应充分考虑管道埋深的影响,以保护埋地管道。3.2.4 土体变形模量影响 不同土体变形模量下管道应力与变形变化如图 15 所示。由图 15 可知,不同土体变形模量下管道沿程的 Mises 应力与竖向位移分布曲线趋势与基础组保持一致。随着变形模量 E 的增大,Mises 应力与竖向位移逐渐减小。管道中部应力与位移变化曲线如图 16 所示。由图 16 可知,随着变形模量 E 的增大,管道的 Mises应力与跨中竖向位移基本呈线性减小。变形模量 E由 3MPa 增大至 15MPa,管道跨中应力由 49.62MPa图 14 不同管道埋深下管道中部应力与位移变化曲线Fig.14 The stress and displacement curves of themiddle of the pipeline under different buried depths图 15 不同土体变形模量下管道应力与变形变化Fig.15 The stress and deformation curves of pipelineunder different soil deformation modulus减小至 27.85MPa,竖向位移的绝对值由 12.71mm减小至 7.74mm。与上述指标相比,土体的变形模量对管道的 Mises 应力与竖向位移影响较小。可知当土体的变形模量较大时,在地表均布荷载的作用下埋地管道的应力与变形会相对减小,对管道起到一定的保护作用。因此,在施工时应按照规范要求对管道沟槽进行回填与夯实。3.2.5 管道材料影响 应用不同管材时管道应力与变形变化如图 17所示。由图 17 可知,应用不同管材时管道沿程的Mises 应力与竖向位移分布曲线趋势有较大差别。曲线变化趋势与对应材料的弹性模量大小具有相关性,管材的弹性模量越大,对应管道的 Mises 应力2023 No.22王 东等:均布荷载作用对埋地管道影响的有限元分析109 图 16 不同土体变形模量下管道中部应力与位移变化曲线Fig.16 The stress and displacement curves in themiddle of the pipeline under different soildeformation modulus越大、竖向位移越小。分析原因为文中采用单一变量原则,则管材的弹性模量越大其抗弯刚度越大,在地表荷载作用下,抗弯刚度越大变形越小,管道跨中应力越大。管材弹性模量越小,管道中部应力分布越均匀。图 17 应用不同管材时管道应力与变形变化Fig.17 Curves of stress and deformation of pipelinewhen different pipes are used管道中部应力与位移变化如图 18 所示(图中正半轴表示管道跨中应力,负半轴表示管道竖向位移)。其中 HDPE 管的跨中 Mises 应力为 0.63MPa,为 4 种管材中最小,其竖向位移绝对值为 23.9mm,为 4 种管材中最大,其变形性能好,抗不均匀沉降性能优良,更适用于不良地质条件。4 种管材中,钢管的跨中 Mises 应力为 36.87MPa,为 4 种管材中最大,其竖向位移绝对值为 9.84mm,为 4 种管材中最小,钢管自身刚度大、强度大,力学性能表现相对较好。工程实际应用中对管材进行选型时,除考虑管材力学性能与变形能力外,还须综合考虑地质条件、车辆荷载、耐腐蚀性能与耐久性等方面的需求。图 18 应用不同管材时管道中部应力与位移变化Fig.8 The curve of stress and displacement in themiddle of the pipeline when different pipes are used4 结语 本文以重庆一品河、黄溪河“清水绿岸”治理提升项目雨污管道项目为依托,对地表均布荷载作用下的埋地管道力学性能进行数值模拟。研究了荷载大小、荷载作用位置、管道埋深、管道材料及土体变形模量等参数的变化对埋地管道力学性能的影响,主要得到如下结论。1)管道的 Mises 应力在两端处最大,从端部到中点先减小后增大;位移分布为从两端到中间逐渐增加,中点处最大。2)随着荷载的增大,管道的 Mises 应力、竖向位移增大,荷载作用位置的增大将会引起管道 Mises应力、竖向位移的减小,但 2 种因素对管道 Mises 应力、竖向位移的影响基本呈线性变化趋势。3)管道的 Mises 应力、竖向位移管道随管道埋深的增大而减小,亦随土体变形模量的增大而减小。管道埋深的影响呈非线性变化,在埋深较浅时影响更加敏感,设计时应适当考虑埋深对管道力学性能的影响。土体变形模量的影响呈线性变化趋势,说明土体密实度较大时,管道受力与变形均较小,对管道有利。4)应用不同材料的管道,其受力性能差别较大,通过研究 4 种管材的影响,发现不同材料对管道Mises 应力与竖向位移的影响主要因为材料的弹性模量不同。材料弹性模量越大,管道的 Mises 应力越大,竖向位移越小。参考文献:1 韩传军,张瀚,张杰,等.地表载荷对硬岩区埋地管道应力应变影响分析J.中国安全生产科学技术,2015,11(7):23-29.HAN C J,ZHANG H,ZHANG J,et al.Analysis on influence of110 施工技术(中英文)第 52 卷surface load to stress-strain characteristics of pipeline buried inhard rock region J.Journal of safety science and technology,2015,11(7):23-29.2 淦邦,朱磊,史振龙,等.地面堆载对埋地管道的影响分析J.山西建筑,2022,48(18):75-78.GAN B,ZHU L,SHI Z L,et al.Analysis of the influence ofsurface loading on buried pipeline J.Shanxi architecture,2022,48(18):75-78.3 帅健,王晓霖,叶远锡,等.地面占压荷载作用下的管道应力分析J.中国石油大学学报(自然科学版),2009,33(2):99-103,108.SHUAI J,WANG X L,YE Y X,et al.Stress analysis of pipelinesubject to surface load J.Journal of China University ofPetroleum(edition and natural),2009,33(2):99-103,108.4 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