不均匀沉降作用下PCCP管承插口接头力学性能分析

李中培 林建华 雷彩虹

不均匀沉降作用下PCCP管承插口接头力学性能分析

李中培1林建华2雷彩虹1

（杭州科技职业技术学院，浙江 杭州 311402；2. 杭州之江经营管理集团有限公司，浙江 杭州 310000）

土体不均匀沉降作用下，预应力钢筒混凝土管（PCCP）承插口接头是易发生破坏的位置。为指导实际工程的控制，建立PCCP管承插口接头三维有限元模型，计算分析了不均匀沉降产生的弯矩作用下承插口接头的力学性能。分析表明，PCCP管承插口接头处刚度较小，在不均匀沉降作用下易产生较大变形，建议关注接口处防水构造，防止出现由于转角变形过大导致的漏水问题。接头处承口混凝土主拉应力水平增加幅度大于插口处混凝土。结合接头处转角变形和强度，需控制不均匀沉降产生的弯矩限值，对于DN2200型PCCP管，建议限值为500kNm。

预应力钢筒混凝土管；承插口；不均匀沉降作用；力学性能

0 引言

预应力钢筒混凝土管（PCCP）是一种广泛使用的复合管材，具有承压能力高、抗渗性强、工程造价低等优点[1]。PCCP管施工中存在一些安全隐患，由于土体不均匀沉降导致的承插口接头破坏尤为需要极力避免[2]。基于三维有限元模拟方法，研究某工程PCCP管处于土体不均匀沉降作用下的受力性能，提出不均匀沉降作用产生的弯矩限值，用于指导实际施工中的控制。

1 工程概况

1.1 基本信息

杭州市某工程三污干管采用PCCP管，型号DN2200，工程中工作压力为0.15MPa，接口为双橡胶圈，管节长度5m。管道截面示意图如图1所示。DN2200干管基本尺寸信息[3]为：外壁厚155mm，保护层厚度32mm，外径2574mm，管长5m，参考重量3.54t/m。混凝土材料为C50，钢环为Q235，橡胶弹性模量取7840000N/m2，泊松比取0.47。

图1 PCCP管道构造示意图

1.2 接口形式

PCCP管的连接形式采用双胶圈承插口接头，由钢插口、钢承口和两个橡胶圈等构件组成，双胶圈接头钢环截面详细尺寸如图2和表1所示。

该工程PCCP管施工中，接头处遇到周围土体不均匀沉降，使PCCP管接头受到大于设计状态的弯矩。为防止PCCP管接头转角变形和应力过大，出现安全问题，指导该工程施工中的控制，需要对不均匀沉降作用下PCCP管胶圈承插口接头进行力学性能分析。

图2 PCCP管胶圈承插口接头构造详图

表1 双胶圈接头尺寸信息表（mm）

2 三维有限元模型

2.1 几何信息

采用ABAQUS大型有限元软件建立两节PCCP管有限元模型[4~5]，其中内外层混凝土，钢承插口，橡胶圈均采用实体单元，钢筒采用板壳单元。为保守考虑，忽略水泥砂浆保护层和预应力钢丝。实体部分主体采用六面体单元，过渡性部分采用四面体单元。有限元模型共计板壳单元1950个，实体单元51763个，如图3所示。

图3 PCCP管承插口接头有限元模型

2.2 边界条件

两节管道的端部边界采用简支形式。钢筒，钢插环和钢承环与混凝土的连接采用埋入和固结方式。双橡胶圈的侧面和底面与钢插口凹槽内壁固结，顶面与钢承口内面硬接触，设置橡胶圈的切向静摩擦系数，取值0.5。采用升温法赋予橡胶圈温度，通过材料线膨胀系数使得橡胶圈膨胀，从而获得与承口钢环的初始切向静摩擦力。设置加载点，加载点与接口处截面耦合连接，通过在加载点上施加外荷载，从而模拟管道承后由于周围土体不均匀沉降导致的外力作用。

2.3 荷载形式

模型外荷载包括自重和管道周围土体沉降导致的弯矩荷载。通过设置自重系数-1.0考虑自重荷载；通过在加载点上施加弯矩荷载考虑土体不均匀沉降对管道结构的作用。

3 计算分析结果

3.1 承插口底部竖向转角位移

取多组弯矩荷载值，提取接口处截面的绕管道横轴的底部竖向转角位移，得到弯矩-转角位移曲线图，结果如下图4所示，竖向变形结果如图5所示。可见随着接口处加载弯矩的增加，承口和插口的竖向转角位移差显著增加，且承口竖向转角位移大于插口。当弯矩水平达到500kNm左右时，承插口竖向转角位移差开始较大幅度增加，有脱离风险。

图4 接头处底部竖向转角位移与弯矩的关系曲线

图5 管道竖向变形示意图（m）（放大300倍）

3.2 承插口顶部混凝土主拉应力

取多组弯矩荷载值，提取接口处截面的顶部混凝土主拉应力，得到弯矩-应力曲线图，结果如下图6所示，应力云图如图7所示。由图6可见，接口处截面弯矩低于500kNm时，插口混凝土顶部主拉应力大于承口；接口处弯矩大于500kNm时，承口顶部混凝土应力显著增加，大于插口顶部混凝土。在500kNm的接口处截面弯矩荷载作用下，承插后顶部混凝土主拉应力均为0.5MPa，应力水平较低，且实际结构中存在预应力钢丝和外部砂浆保护层，主拉应力水平会进一步降低，可见接口处结构强度较大。

图6 接头处顶部混凝土主拉应力与截面弯矩的关系曲线

图7 管道混凝土主拉应力云图（MPa）

4 结论

通过建立PCCP管胶圈承插口接头三维有限元模型，分析了接头在土体不均匀沉降工况产生的弯矩作用下的力学性能，得到如下结论。

（1）在土体不均匀沉降作用下，承口和插口的相对转角位移差随着接头处截面弯矩的增加显著增加。DN2200型PCCP管接头处弯矩水平达到500kNm时，易导致接口处出现脱空风险。建议关注接口处防水构造，防止出现由于转角变形过大导致的漏水问题。接头处承口混凝土主拉应力水平增加幅度大于插口处混凝土。

（2）结合接头处转角变形和强度，需控制土体不均匀沉降产生的弯矩限值，对于DN2200型PCCP管，建议限值为500kNm。

[1]王冬.大管径PCCP管道交叉穿越方案比选研究[J].水利技术监督,2019(5):225-228.

[2]孙立强,张京京,李恒,等.软土地基上影响预应力钢筒混凝土管相对转角关键因素研究[J].岩土力学,2015,36(增刊):293-298.

[3]GB/T19685-2017,预应力钢筒混凝土管[S].北京：中国标准出版社,2018.

[4]王成华,尹书辉.超载作用下PCCP管沉降性状三维有限元参数分析[J].建筑科学,2012,28（增刊）:29-32.

[5]翟科杰,方宏远,张冲博,等.PCCP管承插口力学性能与失效模拟仿真分析[J].中国给水排水,2020,36(20):10-17.

依托项目为杭州科技职业技术学院校级课题：杭州科技职业技术学院2020年校立科研项目《自锚式斜拉-悬索协作体系桥体系转换施工阶段方案研究》（HKYKYYB-2019-1）。

第一作者：李中培（1991- ），男，安徽六安人，浙江大学毕业，硕士，杭州科技职业技术学院市政工程技术专业教师，研究方向为结构分析；第二作者：林建华（1971- ），男，浙江杭州人，中国地质大学毕业，杭州之江经营管理集团有限公司工程部，主要负责工程管理；第三作者：雷彩虹（1972- ），女，浙江工业大学毕业，硕士，杭州科技职业技术学院城市建设学院副院长，研究方向为市政管道工程技术。

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1007-6344（2021）04-0084-02