深入分析承插式管道接头的受力情况

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：严桥支线工程采用的承插式接头来实现钢管的小曲率半径的曲线顶进的，以本工程采用的承插式接头为基础分析该种形式接头的力学性状。因为顶管连接方式为承插式接头，而不是一般焊接。图9-65 管道最大应力与偏转角关系图①承插式在偏转时力学性能。顶力为800t时，承插式管道在各种偏转角度时的管道受力云图。内外壁间隙的增加会使最大允许转角增加。

严桥支线工程采用的承插式接头来实现钢管的小曲率半径的曲线顶进的，以本工程采用的承插式接头为基础分析该种形式接头的力学性状。

（1）数值分析方法

由于此次分析的重点在于顶管的偏转对管道的影响，故数值分析中没有建立土体，仅建立管道的模型。

此次工程中使用的承插式接头的局部剖面图和整体截面图如图9-60和图9-63所示。

图9-63 接头整体截面图

图9-60中木垫片厚度2cm，两边靠板厚度3cm，接头外壁18cm长、14mm厚，接头内壁18cm长、17mm厚，而内外壁间隙为3mm，也即橡胶垫圈的厚度。

故基本模型中管道依照实际工程为范本建模，为简化计算，在建模中未考虑螺栓及橡胶垫圈。管道模型为两节，每节长度5.5m，管道内径3600mm，壁厚34mm。管道所用钢材为Q235B，采用理想弹塑性模型。

其中管道材料选用理想弹塑性模型，其参数：E=210GPa、v=0.3、σs=235MPa；木垫片选用线弹性模型，其参数：E=500MPa、v=0.2。

因为顶管连接方式为承插式接头，而不是一般焊接。在接头模型中，左侧钢顶管与木垫片耦合在一起，在木垫片与右侧顶管之间设接触面。

荷载及计算工况如图9-64所示，在自由管道后端施加顶力，然后偏转一定角度。

图9-64 荷载及计算工况

（2）数值分析结果

顶管管节的转动对顶管的影响可以通过两个阶段来分析：①偏转角较小时，木垫片由于收到偏心荷载，产生不均匀压缩变形，两侧管道靠近；②偏转角足够大时，两侧内外壁直接接触，直接使得内外壁变形。两阶段分界点即为两侧内外壁直接接触。

为保证抗渗等构造要求，接头伸出的长度为190mm，而内外管壁间隔只有3mm，配合偏转条件的话，发生碰触的条件为：3≤190×sinα，其中α为管道偏转角。经过计算，α小于0.9°时，就不会发生碰撞。

图9-65 管道最大应力与偏转角关系图

①承插式在偏转时力学性能。顶力为800t时，承插式管道在各种偏转角度时的管道受力云图。由图可见，当管道开始偏转时，最大Mises应力出现在转角处。随着转角的增大，Mises应力也逐渐增大，且集中在转角周围区域。而从图9-65中可以看出，未偏转时，在顶力作用下，管道最大应力为59MPa；而偏转角在0°～0.7°时应力也有大幅增加，是因为由于偏转角，木垫片出现不均匀压缩，管道在受压侧出现应力集中现象；而当偏转角度继续增大时，Mises应力增加迅速；当偏转角增大至0.94°时，最大Mises应力已经达到233MPa，其原因为内外壁出现碰触。而如再继续增加转角，则管道必将在部分区域出现塑性应变，这也从图9-65中超过235MPa线的部分中得到体现。

当偏转角度达到0.96°时，偏转角处出现塑性应变，在偏转中心附近；偏转角增大到1°时，则塑性区域扩大明显，说明一旦转角过大，则对钢顶管安全有较大威胁。

因此，单纯从理论计算角度考虑，偏转角必须控制在0.94°以内。而从实际设计角度出发，当安全系数设定为1.8时，最大偏转角应控制在0.52°左右。

管道偏转角与曲率半径之间的关系如图9-66所示。

曲线顶管的轴线，说是曲线，实际上是一系列连续偏转的直线的组合。从图9--66可知管节长度、转角、曲率半径之间的关系：

式中 α——中心角（弧度）；

L——边长；

R——多边形外切圆半径。

当α相当小的情况下，上式可简化为：α=L／R。

根据计算，能允许的最大转角约为0.52°，则最小曲率半径约为610m。

图9-66 偏转角与曲率半径示意图

根据之前直管分析结果及承插式顶管本身结构特性，故针对承插式接头的参数分析主要关注接头的主要参数：木垫片厚度、接头长度、内外壁间隙等对最大转角的影响进行分析；而未考虑管长、壁厚、埋深、管径等因素。

图9-67 不同顶力下管道应力与转角关系

②顶力对最大转角的影响。在分析顶力影响的对比计算中模型几何尺寸不变，仅变化顶力以分析顶力对允许最大转角影响。顶力与最大允许转角关系如图9-67所示。

由图可见：顶力增大，不仅导致未偏转时管道应力增加，也引起偏转时，管道应力呈比例增加。顶力为400t时，即使转角增加至0.9°，在内外侧管壁不相碰触的情况下，应力为123MPa，而超过0.9°后，应力也是急剧增加；而当顶力为1200t时，管道即使在转角为达到0.9°时，应力也处在一个较高的水平，在230MPa左右，这是由于即使没有碰触，但施加较大顶力时，仅由偏转引起的应力集中，可对管道安全造成较大威胁。由此可看出顶力对最大允许偏转角α影响较大，故建议曲线钢顶管在使用承插式接头时，顶力不可过大，否则即使在较小转角时，管身也易出现塑性应变。

③木垫片厚度对最大转角的影响。在分析木垫片厚度对允许最大转角影响，故将木垫片厚度改变，而基本模型中其余几何尺寸或材料参数均未变化，顶力也保持不变。不同木垫片厚度时偏转角与管身最大应力关系如图9-68所示。

木垫片厚度增加会对接头造成两个影响：由于木垫片厚度增加，使得内外壁相搭接的长度变短，从而在几何关系上，使得最大允许转角增加；使得木垫片允许压缩量也得到同样提升，故使得接头由于偏转所造成的应力集中有所改善。

图9-68 不同木垫片厚度时管道应力与转角关系

图9-69 不同间隙时管道应力与转角关系

而以上两种影响在图9-68中都有所体现：同样顶力下，即使偏转角α很小，木垫片较薄的接头应力都较木垫片厚的接头要大。而当厚度大于20mm时，接头允许的最大转角也有所增加；厚度为40mm时，即使偏转角α=1.0°，最大应力仍未达到235MPa。所以仅从力学角度考虑的话，木垫片厚度增加，能有效提高承插式接头偏转能力。

但是出于防渗的考虑，内外壁搭接长度越短，接头处抗渗性能越差。故木垫片厚度的设计，并非越大越好，需要综合考虑各方面因素。

④内外壁间隙对最大转角的影响。在分析内外壁间隙对允许最大转角影响，改变外壁厚度从而达到改变内外壁间隙的效果，而基本模型中其余几何尺寸或材料参数均未变化，顶力也保持不变。不同内外壁间隙下偏转角与管身最大应力关系图如图9-69所示。

内外壁间隙的增加会使最大允许转角增加。而在偏转角α较小，即使内外侧管道未接触时，基本不影响接头受力性状。但在间隙2mm时，几何关系上允许的最大偏转角α≈0.6°，故在转角0.7°时，管道的最大应力超过235MPa。而当间隙增大时，即使偏转角α=1.0°，管道能未出现屈服。故增加内外壁间隙，对最大允许转角的影响相当显著。

与木垫片厚度相同，在设计内外壁间隙时，要兼顾接头的力学性能与防渗性。故内外壁间隙并非越大越好，需要综合考虑各方面因素。

⑤接头长度对最大转角的影响。在分析接头长度对允许最大转角的影响时，仅改变接头长度，而基本模型中其余几何尺寸或材料参数均未变化。不同接头长度下偏转角与管身最大应力关系图如图9-70所示。

由图可得出：在较小偏转角时，不同接头长度的最大应力基本相同，但接头长度越大，则允许的偏转越小，故接头长度为21cm，偏转角达到0.9°时，管道早已发生碰触，故其应力已超过235 MPa。而接头长度较小时，则未出现此类情况。单从接头受力考虑，接头长度也是越小越好，但由于抗渗性能，则并非越小越好。

（3）焊接式管道弯曲性能

通过对曲线钢顶管施工中的两种接头形式进行数值模拟及其相应的参数分析，可得到以下结论：

①焊接式管道最大应力出现在与偏转方向相反的管侧，即管道受拉部分。拉应力基本贯穿管身，且一旦出现塑性应变，则塑性应变区域发展较快，也呈贯穿管长趋势。故一旦焊接式管道曲率半径过小，其对施工及人员的安全威胁相当大，故选用时需谨慎考虑。

图9-70 不同接头长度时管道应力与转角关系

②对于焊接式管道，曲线段管长，管径是影响其最小曲率半径的主要因素，而壁厚及埋深对最小曲率半径影响不大。

③曲线段管长越长，则曲率越大。但当曲线段管长较长时，其曲率半径与管长的比值可适当减小，这是由于管长较长时，管道整体刚度较小的缘故。

④相同管长时，较小的管径能有效地减小其最小曲率半径，其原因也是相同管长时，管径较小则管道整体刚度较小的缘故。

（4）承插式接头弯曲性能

通过对曲线钢顶管施工中的两种接头形式进行数值模拟及其相应的参数分析，可得到以下结论：