沉管工程DN1800壓力鋼管變形分析與控制

李高攀，董友奇，王建 （中國電建市政集團山東工程有限公司，山東 濟南 250000）

1 工程概況

阜陽城市供水工程是引江濟淮工程（江水北送段）重要組成部分，工程施工內容包括新建插花站、加壓站及供水管道，供水至阜陽第四水廠。供水管道全長4.83km，設計流量7.74m3/s，主要以PCCP管道（預應力鋼筒混凝土管）為主，其中穿沙潁河段采用壓力鋼管沉管法施工，管材為Q235B螺旋焊接鋼管，公稱直徑1800mm，外徑1820mm，壁厚22mm，標準節長度為12m/節，設計壓力 0.4MPa，水壓試驗壓力 1.0MPa。根據設計要求，鋼管連接均為焊接，沉管段單根鋼管全長217m。沉管作業區施工平面布置見圖1。

圖1 沉管作業區施工平面布置

2 鋼管入水階段變形分析

2.1 數值計算模型

鋼管全長217m，入水滑道長48m，滑道坡比為1：24（傾斜角為2.4°），鋼管入水流程及滑道和鋼管有限元模型見圖2。

圖2 滑道及鋼管有限元模型

2.2 鋼管入水過程變形計算結果分析

針對鋼管入水長度不同所產生的撓度影響，開展多種工況數值計算分析，詳見圖3、圖4。

圖3 不同鋼管入水深度的變形矢量圖

圖4 鋼管入水撓度變形圖

由上圖可知：當鋼管出滑道119m時，遠端有最大凹陷變形約為175mm；當鋼管出滑道131m時，遠端附近有最大凹陷變形約為180.9mm；當鋼管出滑道143m時，遠端發生最大凹陷變形198.4mm；當鋼管出滑道213m時，此時僅有4m的鋼管在滑道上，在滑道與接觸位置處可能發生應力集中問題。

綜上所述，隨著鋼管不斷滑入水面，遠端的撓度變形在不斷地加大。鋼管入水過程中，撓度發生較大的變化的管段在最遠端且在最后管段入水中，要時刻注意管段與滑道接觸處，避免發生過大的變形，因此可以考慮在遠端加大吊桿的力，防止鋼管自重壓彎。

由表1可知：因入水坡道與入水的鋼管有2.4°夾角，在接觸位置處存在應力集中，易發生剪切破壞。但接觸位置處最大剪切應力48.49MPa，遠遠小于Q235鋼材的抗剪強度120MPa，因此鋼管浮運中無需考慮剪切破壞問題。

表1 鋼管入水剪切應力

3 鋼管水面浮運變形對鋼管的影響分析

3.1 鋼管水面浮運變形的計算模型

如圖5所示，鋼管底部直線段距離128m，左岸（北岸）斜管段直線長度37.62m，右岸（南岸）斜管段直線長度40.84m，外徑1820mm，內徑1776mm，壁厚22mm，折線段角度均為158°（詳見圖5）。計算水流與鋼管交叉角度分別為30°、60°、90°三種工況。

圖5 管道模型

3.2 鋼管水面浮運變形的計算結果分析

由于鋼管是從河岸用拖船逐步拖運到下沉位置，為此，針對不同河流速度與拖船速度之比的工況下，研究鋼管與河岸不同夾角情況下鋼管水面浮運變形規律（詳見圖6、圖7、圖8、圖9）。

圖6 鋼管與河岸30°夾角撓度圖

圖7 鋼管與河岸60°夾角撓度圖

圖8 鋼管與河岸90°夾角撓度圖

圖9 鋼管最大位移圖

由圖9知：①當船速與河流速度1:1時，鋼管與河岸夾角30°、60°、90°最大位移量分別為17.32mm、27.32mm、45mm；②當船速與河流速度2:1時，三個角度的最大位移量分別為28.87mm、44.64mm、47.46mm；③當船速與河流速度3:1時，三個角度的最大位移量分別為 40.41mm、61.96mm、49.87mm。當鋼管與河岸夾角30°、60°時，位移在鋼管固定處最大；當鋼管與河岸夾角90°時，位移在沉管中間處最大。綜上所述，隨著鋼管與河岸的夾角越大，水流對鋼管旋轉的阻力越來越大，當水流方向與鋼管垂直時，此時阻力達到最大。綜上所述，船速越快，吊點位置處的應力集中與撓度變形越嚴重，但其剪力不會超過Q235鋼材的抗剪強度，應該考慮加大吊點位置處與鋼管的接觸面積，避免產生過大的變形。

4 鋼管注水變形分析

4.1 鋼管水上起吊船吊裝能量與注水變形的計算模型

如圖10所示，水流模型長200m，寬180m，高20m，動力粘度1.1cp。模型左右兩側及底部均設置無剪切邊界，頂部無約束，前后設置流速為1m/s。

圖10 鋼管入水模型圖

4.2 鋼管注水變形的計算結果分析

通過在鋼管兩端進行注水，使鋼管自重增加，逐漸從漂浮狀態轉換為沉降狀態。為此，通過理論計算得到鋼管注水體積Va，使其鋼管與注水的總重量與浮力相互平衡；再分3種工況分別計算不同Va情況下，研究鋼管注水過程變形規律（詳見圖11、圖12、圖13）。

圖11 鋼管注入0.5Va體積水

圖12 鋼管注入Va體積水

圖13 鋼管水平段及斜管段全注滿水

由圖11-圖13可知，隨著沉管中注入水量的體積不斷加大，鋼管直線段撓度變化越來越大，鋼管豎向撓度最大分別為 82.26mm、144.5mm、123.7mm，鋼管最大支反力分別為127.2kN、398.8 kN、157.1 kN。沉管在注水下沉過程中，最大豎向撓度變形均發生在直線段每兩個吊點的跨中位置，最大支反力發生在水平段三個吊點位置。當注入Va體積的水量時，注入水量在沉管中的長度達139.8m，此時支反力相對其他兩種情況最大，考慮為直線段管重與水過重，而兩側斜段無水，在折線段產生擠壓現象，因此支反力達到最大。當注入水量為全管段時，相較于其他兩種情況，此時沉管豎向撓度變形最小，最大處為12cm左右。由圖知沉管支反力最大位置處為直線段的三個吊點，因此考慮加大直線段吊力而兩側吊點的力可略微減小，防止直線段與斜段交接處發生過大擠壓。

5 鋼管下沉過程變形分析

鋼管注水完成后，保持豎直在不同吊點布置和受力狀態下進行下沉放置。為此，開展了4個吊點、5個吊點在15m、16m水深的下沉變形分析（詳見圖14、圖15、圖16）。

圖14 4個吊點鋼管最大撓度矢量圖

圖15 5個吊點鋼管最大撓度矢量圖

圖16 鋼管應力及撓度變化圖

由圖14-圖16可知：撓度變化最大位置在沉管居中位置，最大撓度變形達64mm，兩端處撓度變形較小，僅為5-6mm。在吊點數量方面，采取5個吊點可明顯減小沉管在跨中位置處的撓度變形，減少量達15mm左右，因此考慮采用五個吊點整體下沉法。在沉管轉折點出撓度變化比較明顯，左右最大相差20mm左右，因此應注意吊點位置處沉管的撓度變形，可以采取增大吊桿與沉管的接觸面積、各吊點緩慢勻速松繩使管道逐漸下沉，在下沉過程中要采用GPS隨時監測管道的軸線位置，并且校正管道位置，保證管道的沉放軸線與設計位置完全吻合。

6 結論

沉管過程中控制管道變形和局部應力是保證管道安全的關鍵，通過分析鋼管入水、水面浮運、注水下沉等環節鋼管變形，得出以下結論：

①隨著沉管不斷入水，遠端撓度變形量不斷加大，但總體變形量在允許范圍內，應考慮加大遠端吊桿的拉力（數值計算中拉力值為201.1kN），防止遠端隨著沉管的不斷入水被自重壓彎；

②采用5個吊點，岸上兩端各設置一臺10T履帶吊，水上采用三艘起吊能力為100T的起吊船控制管道下沉，管重遠小于五艘起吊船的起吊能力，但在吊點位置處易發生應力集中和剪切破壞問題，因此應采取加大吊桿與沉管表面的接觸面積等措施；

③水面浮運過程中，船速盡量不要過快，要時刻關注沉管河岸固定點與吊點位置處沉管的變形情況，防止船速過快在吊點位置處發生剪切破壞。當沉管與水流方向垂直時，此時沉管跨中位置處將受到較大的水流沖擊力，因此要利用GPS隨時觀測沉管跨中位置處軸線的偏移情況，若偏移較大，考慮在跨中位置處再增加一根吊桿固定沉管；

④在吊點數量選擇方面，五個吊點整體下沉法能夠有效地減小沉管跨中位置處的撓度變形；沉管下沉到不同的水深下，整體撓度變形不大，要注意吊點位置處的撓度變形與應力集中問題；

⑤在沉管注入下沉過程中，當注入水量為0.5Va時，此時沉管最大撓度為88.26mm，最大吊點力 127.2kN；當注水量為Va（沉管注水長度141.2m），沉管最大撓度144.5mm，最大吊點力398.8 kN；當沉管直線段與斜線段（206.46m）全注滿水時，此時沉管撓度變形為123.7mm，沉管最大吊點力157.1 kN。沉管在注水下沉過程中，最大豎向撓度變形均發生在直線段每兩個吊點的跨中位置，最大支反力發生在水平段三個吊點位置。沉管過程中，應考慮沉管全注滿水緩慢下沉，避免僅有直線段注入水將管段壓彎。

⑥沉管注水下沉過程中，五根吊點要均勻用力，使沉管緩慢勻速下沉。其中，撓度變化最大位置在沉管居中位置，兩端處撓度變形較小，因此應注意吊點位置處沉管的撓度變形。為此在下沉過程中，施工人員要不斷采用GPS監測管道的軸線位置，尤其是折線段位置處的沉管并及時提醒起吊船改變吊力校正管道位置，保證管道沉穩地下降到溝槽中。