城市供水管網中鋼筋混凝土岔管受力分析

姬棟宇，鄧夏清，李 帥，謝靜儀

(湖南城建職業技術學院，湖南 湘潭 411101)

1 概 述

城市供水管網在城市建設和發展過程中發揮著重要的作用，是城市的重要基礎設施，完善的城市供水管網能夠保障城市的正常高效運轉，促進城市經濟快速可持續發展。隨著我國城鎮化進程的不斷發展，城市面臨的壓力越來越大。為確保國民經濟的可持續發展，我國政府在逐年加大對城市地下供水管網建設的投入，供水管網建設得到快速發展[1]。鋼筋混凝土岔管結構是保證城市供水管網正常運行的重要結構，某城市供水管網輸水岔管結構采用鋼筋混凝土岔管結構，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，主管內徑為4.50 m，支管內徑為2.25 m。鋼筋混凝土主管、岔管和支管均為0.7 m，混凝土強度等級為C30，鋼筋采用Ⅱ級[2]。

2 計算模型

采用有限單元法，建立城市供水管網輸水岔管結構計算模型。在對模型進行單元剖分時，采用20節點等參塊體單元 SOLID 95模擬鋼筋混凝土岔管結構[3]，采用8節點等參塊體單元SOLID 45模擬岔管周圍巖體[4]。該計算模型中，單元總數為44 879，節點總數為26 108。其中，SOLID 95單元總數為31 491，SOLID 45單元總數為13 388。岔管及巖體結構單元剖分見圖1。

圖1 岔管及巖體結構單元剖分

3 岔管結構分析

3.1 計算工況

在分析該城市供水管網輸水岔管結構應力規律時，結合工程的實際情況[5]，考慮以下7種計算工況。工況1：考慮岔管承受最大內水壓力為0.57 MPa，并承受巖體對岔管的約束作用；工況2：考慮岔管承受最大內水壓力為0.96 MPa，并承受巖體對岔管的約束作用；工況3：考慮岔管承受灌漿外壓力0.3 MPa的作用，并考慮運行過程岔管承受最大水頭內壓力0.57 MPa及巖體對岔管的約束作用；工況4：考慮岔管承受灌漿外壓力0.3 MPa的作用，并考慮運行過程岔管承受最大水頭內壓力0.96 MPa及巖體對岔管的約束作用；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及最大水頭內壓力0.96 MPa的作用；工況7：該工況為檢修工況，同時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輸水岔管結構的受力情況，在岔管的分岔位置取出12個分析斷面，斷面位置見圖2。

圖2 岔管結構分析斷面示意圖

3.3 應力分析

在城市供水管網輸水岔管結構的受力中，共考慮7種計算工況，各工況下岔管結構的最大環向拉、壓應力見表1。在混凝土岔管結構設計中，考慮工況2施工因素及巖體的約束作用，L-L斷面上出現的最大環向拉應力為6.300 MPa，該工況符合工程實際，為此將其定為設計工況。另外，工況5對混凝土岔管結構施加灌漿壓力0.3 MPa，此時岔管結構的壓應力較大，將該工況定為校核承受極限壓應力工況。

表1 各種工況下岔管結構的最大環向拉壓應力

工況2考慮最大內水壓力0.96 MPa，只考慮巖體的約束作用，不計巖體自重。由此求得的岔管結構部分斷面計算點上的應力分布見圖3至圖8。A-A斷面上出現的最大環向拉應力為2.848 MPa，最大環向壓應力為-0.712 MPa；B-B斷面上出現的最大環向拉應力為2.868 MPa，最大環向壓應力為-0.955 MPa；C-C斷面上出現的最大環向拉應力為3.290 MPa，最大環向壓應力為-0.969 MPa；D-D斷面上出現的最大環向拉應力為2.698 MPa，最大環向壓應力為-0.900 MPa；E-E斷面上出現的最大環向拉應力為2.645 MPa，最大環向壓應力為-1.017 MPa；F-F斷面上出現的最大環向拉應力為5.495 MPa，最大環向壓應力為-1.552 MPa；G-G斷面上出現的最大環向拉應力為2.395 MPa，最大環向壓應力為-0.765 MPa；H-H斷面上出現的最大環向拉應力為2.064 MPa，最大環向壓應力為-1.001 MPa；I-I斷面上出現的最大環向拉應力為5.495 MPa，最大環向壓應力為-0.535 MPa；J-J斷面上出現的最大環向拉應力為1.182 MPa，無環向壓應力；K-K斷面上出現的最大環向拉應力為3.059 MPa，最大環向壓應力為-0.562 MPa；L-L斷面上出現的最大環向拉應力為6.300 MPa，最大環向壓應力為-1.540 MPa。

圖3 工況2下B-B斷面環向應力圖(MPa)

圖4 工況2下D-D斷面環向應力圖(MPa)

圖5 工況2下F-F斷面環向應力圖(MPa)

圖6 工況2下I-I斷面環向應力圖(MPa)

圖7 工況2下K-K斷面環向應力圖(MPa)

圖8 工況2下L-L斷面環向應力圖(MPa)

3.4 圍巖結構受力分析

為了分析在各工況下圍巖結構的受力情況，圖9至圖11給出了工況2下圍巖的應力分布云圖。由圖9-圖11可以看出，當岔管受內壓0.96 MPa的內壓作用時，岔管周圍巖體環向應力受內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域內。岔管周圍巖體的最大環向拉應力為0.2 MPa左右，而巖體材料抗拉強度為4.0 MPa。由此可見，巖體能夠承受最大內水壓力0.96 MPa的內壓作用，滿足設計要求。

圖9 工況2下D-D斷面圍巖環向應力云圖(kPa)

圖10 工況2下J-J斷面圍巖環向應力云圖(kPa)

圖11 工況2下沿岔管軸線水平斷面圍巖環向應力云圖(kPa)

4 結 語

綜上所述，考慮工況4的荷載組合情況，該工況下岔管結構中L-L斷面最大環向拉應力為4.648 MPa。該工況的計算結果可以作為該城市供水管網輸水岔管結構配筋計算的依據，通過對岔管進行配筋設計，并對該鋼筋混凝土岔管結構進行極限狀態應力校核驗算，驗算結果滿足限裂條件，可以實現混凝土岔管結構的限裂設計。