姬棟宇，鄧夏清，李 帥，謝靜儀

(湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411101)

1 概 述

城市供水管網(wǎng)在城市建設(shè)和發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用，是城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，完善的城市供水管網(wǎng)能夠保障城市的正常高效運(yùn)轉(zhuǎn)，促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)快速可持續(xù)發(fā)展。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷發(fā)展，城市面臨的壓力越來(lái)越大。為確保國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，我國(guó)政府在逐年加大對(duì)城市地下供水管網(wǎng)建設(shè)的投入，供水管網(wǎng)建設(shè)得到快速發(fā)展[1]。鋼筋混凝土岔管結(jié)構(gòu)是保證城市供水管網(wǎng)正常運(yùn)行的重要結(jié)構(gòu)，某城市供水管網(wǎng)輸水岔管結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土岔管結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土岔管布置主要由引水主管、岔管、支管等部分組成，主管內(nèi)徑為4.50 m，支管內(nèi)徑為2.25 m。鋼筋混凝土主管、岔管和支管均為0.7 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，鋼筋采用Ⅱ級(jí)[2]。

2 計(jì)算模型

采用有限單元法，建立城市供水管網(wǎng)輸水岔管結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。在對(duì)模型進(jìn)行單元剖分時(shí)，采用20節(jié)點(diǎn)等參塊體單元 SOLID 95模擬鋼筋混凝土岔管結(jié)構(gòu)[3]，采用8節(jié)點(diǎn)等參塊體單元SOLID 45模擬岔管周圍巖體[4]。該計(jì)算模型中，單元總數(shù)為44 879，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為26 108。其中，SOLID 95單元總數(shù)為31 491，SOLID 45單元總數(shù)為13 388。岔管及巖體結(jié)構(gòu)單元剖分見(jiàn)圖1。

圖1 岔管及巖體結(jié)構(gòu)單元剖分

3 岔管結(jié)構(gòu)分析

3.1 計(jì)算工況

在分析該城市供水管網(wǎng)輸水岔管結(jié)構(gòu)應(yīng)力規(guī)律時(shí)，結(jié)合工程的實(shí)際情況[5]，考慮以下7種計(jì)算工況。工況1：考慮岔管承受最大內(nèi)水壓力為0.57 MPa，并承受巖體對(duì)岔管的約束作用；工況2：考慮岔管承受最大內(nèi)水壓力為0.96 MPa，并承受巖體對(duì)岔管的約束作用；工況3：考慮岔管承受灌漿外壓力0.3 MPa的作用，并考慮運(yùn)行過(guò)程岔管承受最大水頭內(nèi)壓力0.57 MPa及巖體對(duì)岔管的約束作用；工況4：考慮岔管承受灌漿外壓力0.3 MPa的作用，并考慮運(yùn)行過(guò)程岔管承受最大水頭內(nèi)壓力0.96 MPa及巖體對(duì)岔管的約束作用；工況5：考慮岔管承受灌漿外壓力0.3 MPa的作用；工況6：考慮岔管承受灌漿外壓力0.3 MPa及最大水頭內(nèi)壓力0.96 MPa的作用；工況7：該工況為檢修工況，同時(shí)考慮岔管承受灌漿外壓力0.3 MPa和外水壓力0.57 MPa的作用。

3.2 分析斷面

為了分析城市供水管網(wǎng)輸水岔管結(jié)構(gòu)的受力情況，在岔管的分岔位置取出12個(gè)分析斷面，斷面位置見(jiàn)圖2。

圖2 岔管結(jié)構(gòu)分析斷面示意圖

3.3 應(yīng)力分析

在城市供水管網(wǎng)輸水岔管結(jié)構(gòu)的受力中，共考慮7種計(jì)算工況，各工況下岔管結(jié)構(gòu)的最大環(huán)向拉、壓應(yīng)力見(jiàn)表1。在混凝土岔管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，考慮工況2施工因素及巖體的約束作用，L-L斷面上出現(xiàn)的最大環(huán)向拉應(yīng)力為6.300 MPa，該工況符合工程實(shí)際，為此將其定為設(shè)計(jì)工況。另外，工況5對(duì)混凝土岔管結(jié)構(gòu)施加灌漿壓力0.3 MPa，此時(shí)岔管結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力較大，將該工況定為校核承受極限壓應(yīng)力工況。

表1 各種工況下岔管結(jié)構(gòu)的最大環(huán)向拉壓應(yīng)力

工況2考慮最大內(nèi)水壓力0.96 MPa，只考慮巖體的約束作用，不計(jì)巖體自重。由此求得的岔管結(jié)構(gòu)部分?jǐn)嗝嬗?jì)算點(diǎn)上的應(yīng)力分布見(jiàn)圖3至圖8。A-A斷面上出現(xiàn)的最大環(huán)向拉應(yīng)力為2.848 MPa，最大環(huán)向壓應(yīng)力為-0.712 MPa；B-B斷面上出現(xiàn)的最大環(huán)向拉應(yīng)力為2.868 MPa，最大環(huán)向壓應(yīng)力為-0.955 MPa；C-C斷面上出現(xiàn)的最大環(huán)向拉應(yīng)力為3.290 MPa，最大環(huán)向壓應(yīng)力為-0.969 MPa；D-D斷面上出現(xiàn)的最大環(huán)向拉應(yīng)力為2.698 MPa，最大環(huán)向壓應(yīng)力為-0.900 MPa；E-E斷面上出現(xiàn)的最大環(huán)向拉應(yīng)力為2.645 MPa，最大環(huán)向壓應(yīng)力為-1.017 MPa；F-F斷面上出現(xiàn)的最大環(huán)向拉應(yīng)力為5.495 MPa，最大環(huán)向壓應(yīng)力為-1.552 MPa；G-G斷面上出現(xiàn)的最大環(huán)向拉應(yīng)力為2.395 MPa，最大環(huán)向壓應(yīng)力為-0.765 MPa；H-H斷面上出現(xiàn)的最大環(huán)向拉應(yīng)力為2.064 MPa，最大環(huán)向壓應(yīng)力為-1.001 MPa；I-I斷面上出現(xiàn)的最大環(huán)向拉應(yīng)力為5.495 MPa，最大環(huán)向壓應(yīng)力為-0.535 MPa；J-J斷面上出現(xiàn)的最大環(huán)向拉應(yīng)力為1.182 MPa，無(wú)環(huán)向壓應(yīng)力；K-K斷面上出現(xiàn)的最大環(huán)向拉應(yīng)力為3.059 MPa，最大環(huán)向壓應(yīng)力為-0.562 MPa；L-L斷面上出現(xiàn)的最大環(huán)向拉應(yīng)力為6.300 MPa，最大環(huán)向壓應(yīng)力為-1.540 MPa。

圖3 工況2下B-B斷面環(huán)向應(yīng)力圖(MPa)

圖4 工況2下D-D斷面環(huán)向應(yīng)力圖(MPa)

圖5 工況2下F-F斷面環(huán)向應(yīng)力圖(MPa)

圖6 工況2下I-I斷面環(huán)向應(yīng)力圖(MPa)

圖7 工況2下K-K斷面環(huán)向應(yīng)力圖(MPa)

圖8 工況2下L-L斷面環(huán)向應(yīng)力圖(MPa)

3.4 圍巖結(jié)構(gòu)受力分析

為了分析在各工況下圍巖結(jié)構(gòu)的受力情況，圖9至圖11給出了工況2下圍巖的應(yīng)力分布云圖。由圖9-圖11可以看出，當(dāng)岔管受內(nèi)壓0.96 MPa的內(nèi)壓作用時(shí)，岔管周圍巖體環(huán)向應(yīng)力受內(nèi)壓作用的影響范圍大約以岔管軸線為圓心、10 m左右為半徑的圓形區(qū)域內(nèi)。岔管周圍巖體的最大環(huán)向拉應(yīng)力為0.2 MPa左右，而巖體材料抗拉強(qiáng)度為4.0 MPa。由此可見(jiàn)，巖體能夠承受最大內(nèi)水壓力0.96 MPa的內(nèi)壓作用，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 工況2下D-D斷面圍巖環(huán)向應(yīng)力云圖(kPa)

圖10 工況2下J-J斷面圍巖環(huán)向應(yīng)力云圖(kPa)

圖11 工況2下沿岔管軸線水平斷面圍巖環(huán)向應(yīng)力云圖(kPa)

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，考慮工況4的荷載組合情況，該工況下岔管結(jié)構(gòu)中L-L斷面最大環(huán)向拉應(yīng)力為4.648 MPa。該工況的計(jì)算結(jié)果可以作為該城市供水管網(wǎng)輸水岔管結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算的依據(jù)，通過(guò)對(duì)岔管進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，并對(duì)該鋼筋混凝土岔管結(jié)構(gòu)進(jìn)行極限狀態(tài)應(yīng)力校核驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果滿足限裂條件，可以實(shí)現(xiàn)混凝土岔管結(jié)構(gòu)的限裂設(shè)計(jì)。