球墨鑄鐵供水管道接口受力變形敏感性分析

李錦狀

摘要：探究球墨鑄鐵供水管道接口受力變形敏感性，對確保供水系統的正常運行，減少水資源浪費和土壤污染至關重要。依托塞內加爾供水項目，采用數值模擬方法建立球墨鑄鐵供水管道有限元模型，在驗證數值模擬數據準確可靠的基礎上，對不同管道壁厚、管道直徑對管道承管和插管豎向位移及極限轉角響應的影響開展研究。結果表明，增大管道壁厚和管道直徑能夠降低承管及插管的豎向位移，其中，管道直徑對豎向位移的影響更加顯著，管道直徑由200mm增加至300mm，插管和承管豎向位移的降低幅度分別為37.33%和38.28%；管道直徑越大，其極限轉角越小，改變管道壁厚對極限轉角的影響不明顯。

關鍵詞：球墨鑄鐵供水管道；管道接口；受力變形；敏感性

0? ?引言

供水管道是城市基礎設施中至關重要的組成部分，承擔著輸送和分配清潔飲用水的任務[1]。球墨鑄鐵是一種常用于供水管道的材料，因其具有優異的機械性能和耐腐蝕特性而備受青睞。球墨鑄鐵供水管道的接口部分是其結構中的薄弱環節，常受到振動、溫度變化、土壤運動等多種外部因素的影響[2]，導致接口受力情況發生變化，進而導致管道出現滲漏、破裂或損壞，這不僅會影響供水系統的正常運行，還可能對環境和公共健康造成嚴重威脅[3]。

目前，已經有多位學者對供水管道受力變形開展了相關研究，王永強等[4]分析了埋地天然氣管道在重型車輛荷載下的受力情況，研究綜合了理論計算和實驗檢測方法，提供了可靠的安全評價方法。李新亮等[5]使用線彈性力學理論，將埋地管道在交通荷載下的靜力計算問題分解為三個部分，研究了輪壓、管道埋深、距離、相對剛度和土壤特性等參數對管道力學性狀的影響。董冬冬等[6]以管道工程中廣泛采用的HDPE管道為研究對象，基于現場足尺試驗和數值計算，研究了交通荷載作用下埋地HDPE管道附加彎矩的影響因素及變化規律。

在現有研究中，針對球墨鑄鐵供水管道接口受力變形敏感性研究相對較少，鑒于此，本研究依托塞內加爾供水項目，采用數值模擬方法對管道壁厚及管徑對管道接口受力變形的影響開展研究，研究結果可為城市供水系統的穩定運行和可持續發展提供重要支持。

1? ?工程概況

本文基于塞內加爾供水項目，項目分部于首都達喀爾，呂菲斯克市區，杰斯市區北部的梅黑城區，為保障居民的飲用水供應，需要大量的引水輸水設施建設。項目包含96km直徑200～1500mm球墨鑄鐵管道的安裝，及357座閥門井室的施工，施工區域穿越道路、建筑及鐵路等區域，施工難度及施工風險較大，且對施工質量要求較高，在此背景下，探究球墨鑄鐵供水管道接口變形對保證施工質量確保供水系統可持續發展至關重要。

2? ?數值模型與材料參數

基于試驗承管及插管實際尺寸建立三維有限元數值模型，承管及插管的有效長度分別為900mm和978mm。采用AutoCAD軟件繪制承管及插管二維草圖，將草圖導入數值模擬軟件，通過旋轉拉伸功能建立三維模型，如圖1所示。

滑入式球墨鑄鐵供水管道密封止水的原理是通過管道連接部位的橡膠環密封來防止水泄漏，橡膠密封圈具有較高的彈性和彎曲能力，能夠在管道連接處形成有效的密封。當兩根管道被插入連接部位并連接在一起時，橡膠環會受到擠壓，從而密封管道連接處的空隙，防止水從連接處滲漏，在模擬過程中，定義橡膠密封圈為超彈性材料。管道及支座數值模型材料參數如表1、表2所示。

對管道模型及管道墊塊頂面施加豎直方向上的重力荷載，采用八節點六面體單元對模型進行網格劃分，單元尺寸為15mm，對管道接口部位進行局部網格加密。分析步主要分為，組裝管道、對管道施加重力荷載和對管道施加靜力荷載，在組裝管道前，限制插管、承管及管道部件在x、y、z方向上的位移，使插管與沉管中心線位于同一直線上，在組裝過程中，改變z方向位移以模擬管道組裝。

3? ?模擬結果分析

3.1? ?數值模型驗證

圖2是豎直荷載作用下管道豎向位移試驗結果與數值模擬結果對比，從圖中可以看出，承管在15kN荷載下的試驗結果與模擬結果相差最大，其中，試驗位移為79.06mm，數值模擬位移為74.12mm，數值模擬誤差為6.25%。插管在加載作用下的試驗結果與模擬結果較為吻合，最大誤差僅為1.52%。這是由于在數值模擬過程中，物理參數、材料性質及數學模型十分精確，而在現場試驗中試驗結果受多種因素影響，從而導致模擬結果與實際試驗結果之間存在差異，但總體上誤差較小，表明數值模擬數據可信度較高。

3.2? ?壁厚對結構破壞的影響

不同壁厚條件下承管及插管的豎向位移影響如圖3所示。從圖3可以看出，在相同荷載下，管道壁厚越大，承管及插管的豎向位移均越小，這是因為壁厚較大的管道，管道的截面積也較大，能提供更高的強度和剛度，增加了管道的彎曲剛度，從而更有效地抵抗承受荷載引起的彎曲變形，降低了豎向位移，提高了管道系統的穩定性和安全性。在15kN荷載下，管道壁厚由4.7mm增加至6mm，插管的豎向位移78.64mm減小至69.55mm，減小幅度為11.56%，承管的豎向位移由82.47mm減小至73.1mm，減小幅度為11.36%。

圖4給出了不同管道壁厚條件下管道極限轉角響應。由圖4可知，管道壁厚為4.7mm、5.2mm、5.7mm、6.0mm下的極限轉角分別為11°29′11″、11°23′54″、11°13′53″、和11°47′19″，所能承受的最大荷載分別為15.07kN、16.05kN、16.92kN和19.59kN。

由上述數據分析可知，極限轉角受管道壁厚改變的影響不明顯，隨著管道壁厚的增加，管道承載能力增大。這是由于極限轉角主要受到管道的幾何形狀和支撐條件的影響，而不是壁厚本身，管道的極限轉角通常取決于其長度、支撐方式以及材料的特性，而與壁厚關系不大。然而，增大管道壁厚度能夠提供更大的截面面積，增加了管道的抗彎剛度，從而更好地抵抗外部荷載，減小了撓度和變形，增加其承受荷載的能力。

3.3? ?管徑對結構破壞的影響

選取管道直徑為200mm、300mm、400mm并將其編號為DN200、DN300、DN400，對比不同管徑對管道在20kN荷載作用下對管道豎向位移及極限轉角的影響。

圖5是不同管道直徑條件下管道豎向位移響應，觀察圖5可知，隨著管道直徑的增加，插管及承管的豎向位移均減小，較大直徑的管道在承受相同荷載時會更穩定，減小了插管和承管的豎向位移，此外，較大直徑的管道還可以分散荷載，減少了應力集中，有助于提高整體的結構穩定性。管道直徑由200mm增加至300mm和400mm，插管豎向位移的降低幅度分別為37.33%和15.8%，承管豎向位移的降低幅度分別為38.28%和16.76%，表明隨著管道直徑的持續增加，插管及承管的豎向位移降低幅度有減小趨勢。當管道直徑較小，增加直徑會顯著增加截面積，從而顯著提高抗彎剛度，因此豎向位移的減小相對明顯。然而，一旦管道直徑足夠大，進一步增加管道直徑對承管及插管豎向位移的降低效果削弱，所以抗彎剛度的提升幅度相對有限。

不同管徑下管道極限轉角在加載作用下的響應如圖6所示。由圖6可知，DN200、DN300、DN400管道的極限轉角分別為11°45′19″、6°44′34″和5°32′3″，DN200和DN300管道的最大承受荷載分別為19.53kN，19.95kN，DN400管道所能承受的最大荷載大于20kN。在相同荷載條件下，隨著管道直徑的增大，極限轉角減小，所能承受的最大荷載增加但增加幅度較小。隨著管道直徑增大，其慣性矩增加，從而使管道在承受荷載時剛度較大，降低了其彎曲能力，因此極限轉角減小。

另一方面，管道的承載能力與其橫截面積成正比，因此隨著直徑的增大，管道所能承受的最大荷載也會增加，但增加幅度較小，因為增大直徑并不會顯著增加管道的承載能力。此外，管道的豎向位移越大，其極限轉角越大。當管道受到豎向荷載時，其底部產生豎向位移，這會導致管道的底部彎曲，而底部彎曲會增加管道的彎曲半徑，彎曲半徑越大，管道的極限轉角就越大。

4? ?結束語

本文基于塞內加爾供水項目，采用數值模擬方法探究了不同管道壁厚及管道直徑對球墨鑄鐵供水管道受力變形的影響，得出以下結論：

數值模擬數據可信度較高，在15kN荷載下，承管的數值模擬結果與試驗結果相比誤差為6.25%，插管在加載作用下的試驗結果與模擬結果較為吻合，最大誤差僅為1.52%。

在相同荷載下，管道壁厚越大，承管及插管的豎向位移越小，管道壁厚由4.7mm增加至6mm，插管及承管的豎向位移分別降低了11.56%和11.36%；增大管道壁厚對管道極限轉角無明顯影響，但能夠增加管道承受荷載的能力。

增大管道直徑對插管及承管的豎向位移有顯著影響，管道直徑由200mm增加至300mm，插管和承管豎向位移的降低幅度為37.33%和38.28%，隨著管道直徑的持續增加，插管及承管的豎向位移降低幅度有減小趨勢；管道直徑越大，管道的極限轉角越小，管道的豎向位移越大，管道的極限轉角越大。

參考文獻

[1] 曹徐齊，阮辰旼.全球主要城市供水管網漏損率調研結果匯編[J].凈水技術，2017，36（4）：6-14.

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[3] 趙亂成.給水管道損壞的主要原因和對策[J].給水排水，1997（12）：55-58.

[4] 王永強，牛星鋼，譚欽文.重型車輛荷載下埋地天然氣管道的安全分析[J].中國安全生產科學技術，2011，7（08）：109-114.

[5] 李新亮，李素貞，申永剛.交通荷載作用下埋地管道應力分析與現場測試[J].浙江大學學報（工學版），2014，48（11）：1976-1982.

[6] 董冬冬，王非，張亞軍，等.交通荷載作用下HDPE管道附加彎矩變化規律研究[J].地下空間與工程學報，2016，12（S1）：80-88+99.