埋地竹塑复合材料管道受力研究探究.doc

埋地竹塑复合材料管道受力研究探究 　　摘要： 对埋地竹塑复合材料管道的受力状态进行了实验与理论、计算分析。假定管道、土均为线弹性、各向同性、均匀性，且考虑了管道自重、土压力和地面荷载、管内压力以及温度应力的影响；选用ANSYS通用有限元分析软件，对管、土接触面进行了不同条件下，管材、壁厚、埋深情况的分析，总结出管道变形、受力的规律等。 关键词： 埋地管道；竹塑复合材料；ANSYS；实验与理论分析 中图分类号：U173.9 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）17-0076-03 1 概述 竹塑复合材料管道是具有优越的物理力学性能的新材料，也是目前用途最多的纤维增强材料之一[1]。竹塑复合材料管道不仅价格低廉，更主要是竹资源十分丰富，环保天然、无污染，从而又具有社会价值。竹塑复合材料管道主要开发应用于低压输水工程，特别是在渠灌区推广低压竹塑复合材料管道输水技术，可以大量取代钢、水泥混凝土等材料管道[2]。 根据埋设于地下的圆形管道参数，管道结构与土的刚度比可按下式确定[3] λ小于1时管道属于柔性管。常用的低压管道输水系统均为薄壁管道，壁厚不大于50mm；管道最大半径在200mm左右；Ep=1.2×103Mpa；Es=8Mpa。λ远小于1，因此本文讨论的塑复合材料管道仅限于柔性管。 2 埋地管道的基本工作原理 2.1 管道与土体的相互作用 埋地柔性管的工作状态分析考虑外荷载与管周的土壤介质与管壳之间变形约束作用，从管、土体系入手，考虑管道与它所埋入的土的共同工作性状[4]。 管道的受力可从两个方面考虑。管内无水压时，在土的竖向作用和地面荷载等影响下，薄壁管道刚度较小，环断面变形较大而呈现扁平的椭圆环；管内有水压时，促使管断面恢复正圆的趋势，可弥补管壁刚度的不足；管周的土体同时也是管道在发生变形的一种介质。管道与管周土壤介质构成了一个异性体的结构体系。 从受力的角度来看，是外荷载土的抗力之间的相互作用；从位移角度来分析，管道断面的变形与受挤压的土体之间是相互制约的，并存在变形协调的关系。通常主要分析静力荷载的问题，具体包括管道自重；管内流体重量；管内流动的有压流体的静压力（本文讨论低压问题，如水锤作用的压力可不考虑）；回填土重量引起的外压力；路面部分的车辆轮压力或地面堆积荷载；管道闭合约束的温度与运行介质的温差在管壁中引起的荷载；管线遇到土壤不均匀沉陷，以及由于施工开挖等其他原因使地基产生不均匀沉陷而出现的力；管道在起吊、运输和安装过程中受到的施工作用力；管线转弯处由管内流体压力而产生的纵向冲击力；管内出现真空时的负压力等。 2.2 影响管周压力的因素 管道结构的受力分析，与其他结构最大不同是除了管道自重和管内水压等因素之外，还有作用在管道上的土体荷载，此外各种荷载又直接或间接影响管道周围的土体自身的状态。因此在对管道进行受力分析时，必须考虑到土体、管道的物理、力学性质，埋设、施工方法，以及在整个变形过程中管道与土体之间的影响。 土体的物理力学指标是土压力分析的重要参数。管道周围的土质和夯实质量可直接影响管周压力。回填土夯实越密实，管体受力越小；松散、管两侧填土沉陷，会增加管道的压力，同时也降低埋地管道侧向的变形约束力。 地面上的荷载是通过土体对管道产生压力，也就是说管道外部压力由土体的自重和地面的荷载叠加面得。土体自重是随管顶复土深度而增加；而地面荷载引起的压力，则是随管道埋深而减少，因此两种压力的叠加效果可选择，优化某一深度处达到最小值。通常为了不使荷载对管道产生过大的压力，要求埋管埋深度一般不小于80cm。图1是一个综合考虑埋深与总荷载的实例。 2.3 低压输水管道的受力 埋地竹塑复合材料管道一般用于低压输水灌溉系统，管道系统的工作压力不超过200kpa，管道最远处出水口压力一般控制在2～3kpa。 有压管道来引起损伤破坏的主要原因是内部压力；而无压管道的则是由外部荷载造成破坏。由于地埋式低压输水灌溉管道，在无水时内部是不承压的无压状态，需要根据实际应用情况对薄壁管承受外压的能力进行分析评价；有水时内压也是远小于外压。因此低压输水管道的受力应以外压为主。 3 有限元计算模型及参数 埋设在地下的竹塑复合材料管道，可看作是放在弹性介质中的无限长环形柱体，沿管道纵轴线垂直截取一单位长度的环片，作为平面应变问题处理[5，6]。 施工回填土的夯实度达到最大密度的95%时可近似地理想化为直线变形介质。竹塑复合材料管道的材料、地基及回填土的物理力、学性质不同，计算时采用各自的变形模量E、泊松比μ、材料的容重γ等参数。 4 实验分析 实验采用室内模拟土压试验，竹塑复合材料管道的管径D=315mm，δ=2