一种直埋管道过缝结构模型的构建及分析方法技术

本发明专利技术提供一种直埋管道过缝结构模型的构建及分析方法，根据不同地质条件提出了混凝土直埋管道的结构缝设置工况和设置区域，建立了混凝土直埋管道的结构缝的管道物理模型，即为混凝土直埋管道预留空腔的管道物理模型和为预留空腔填充保护材料的管道物理模型。提出了在混凝土直埋管道空腔不变形的条件下仅承受内水压力和温度变化时的管道应力计算边界条件假定和分析方法；提出了在混凝土直埋管道空腔变形的条件下的管道应力计算边界条件假定和分析方法；提出了在混凝土直埋管道空腔变形、同时还需承受管道内水压力和温差变化条件下的管道应力计算边界条件假定和分析方法。此外，找出了混凝土直埋管道过缝过程中的应力应变规律。

【技术实现步骤摘要】
一种直埋管道过缝结构模型的构建及分析方法
本专利技术属于水利水电
，尤其是涉及一种直埋管道过缝结构模型的构建及分析方法。
技术介绍
在水电站的设计中，不可避免地会采用大量的埋设管道，其中的一些埋设管道会穿越混凝土分缝，需要进行“过缝处理”。一般情况下，工程师们会参照已有的经验，套用过缝处理的经验数据(表)进行设计；以往的管道直径较小，在较大管径的混凝土直埋管道则没有可参照的工程经验；在缺乏正确的计算分析方法进行分析而选取管道参数时，在某些情况下，这样的套用可能存在风险。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种混凝土直埋管道预留空腔的管道过缝结构模型的构建方法。为此，本专利技术的上述目的通过以下技术方案来实现：一种直埋管道过缝结构模型的构建方法，其特征在于：所述直埋管道过缝结构模型的构建方法包括：埋设在混凝土中的直管道，在穿越分缝时，如果不增设柔性管节，则通常会在一段管道外加设套管或外敷柔性材料，以在较长的一段埋设管道外形成一个空腔，将局部变形转化为一段管道的变形，以增加管道对于变形的适应能力，因此，构建如下管道过缝时的物理模型，A、C为管段进入混凝土处的两个端点，B为管段的中点；DL为由于混凝土变位产生的管道长度方向的增变量，H为由于混凝土变位产生的管道径向的变量；以此为基础，分析该结构受力变化，管段长度为L，f为管段A点和C点由于长度方向变量DL产生的力，F为管段A点和C点由于径向变量H产生的力，M为管段A点和C点由于径向变量H产生的弯矩；在管道材料弹性范围内，物理模型忽略A点和C点外混凝土内管道的变形，忽略空腔内柔性材料的作用，将分缝处可能发生的倾斜变形转换为轴向和径向变形。本专利技术的第二个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种基于直埋管道过缝结构模型的分析方法。为此，本专利技术的上述目的通过以下技术方案来实现：一种基于直埋管道过缝结构模型的分析方法，其特征在于：所述基于直埋管道过缝结构模型的分析方法前文所述的直埋管道过缝结构模型的构建方法所构建的直埋管道过缝结构模型，并包括：(1)混凝土变形前的管道特性分析对于管道承受内水压力，可以由下式计算ABC管段承受的管道周向应力σ11，下式中，P为管道内水压力，Di为管道内经，Dt为管道壁厚；由上式可以得出，由于管道内水压力引起的管段周向应力σ11与管道内水压力P、管道内径Di正比例相关，与管道壁厚Dt反比例相关；与管段长度L无关；对于管道埋设后的温度变化，可以由下式计算ABC管段承受的管道轴向温变应力，式中，α为管道的线膨胀系数，E为管道的弹性模量，DT为温度增加值；σ12＝-αEDT(2)由上式可以得出，由于管道温度变化引起的管段轴向应力σ12与温度变量DT正比例相关，与管道内径Di或外径Do、壁厚Dt以及管段长度L无关；(2)混凝土变形后的管段特性分析由于混凝土变形引起的管道轴向增变量DL，可以由下式计算在ABC管段产生的轴向应力σ2，式中，L为管段变形前长度；由上式可以得出，由于混凝土轴向变形引起的管段轴向应力σ2与变量DL正比例相关，与管段长度L反比例相关；与内径Di或外径Do、壁厚Dt无关；所以，只有增加管段长度才可以增加管段承受混凝土轴向变形的能力；由于模型的对称性，将AB管段按照悬臂梁计算，可以由下式计算ABC管段所受的径向应力σ3，式中，I为管道惯性矩，H为管道径向变形，A为管道截面积；可以由下式计算A、C两点的管道断面顶点承受最大的由于弯矩产生的轴向应力σ4，式中，Do为管道外径；由(式4)可以得出，由于混凝土径向变形引起的管段径向应力σ3与变量H和管道惯性矩I正比例相关，与管段截面积A和长度L的3次方反比例相关；同样，由(式5)可以得出，由于混凝土径向变形产生的管段端点顶部的轴向应力σ4与变量H和管道外径Do正比例相关，与管段长度L的2次方反比例相关，所以，尤其是对于大管径的埋设管道，增加管段长度可以有效地增加管段承受混凝土径向变形的能力；(3)混凝土变形后的组合应力分析在混凝土分缝处发生变形时，会对埋设管道的过缝管段ABC产生附加的应力，其最不利受力点为A、C两点的管道断面顶点，可以由下式简单地计算其复合应力；本专利技术还有一个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种为预留空腔填充保护材料的管道过缝结构模型的构建方法。为此，本专利技术的上述目的通过以下技术方案来实现：一种直埋管道过缝结构模型的构建方法，所述直埋管道过缝结构模型的构建方法基于前文所述的直埋管道过缝结构模型的构建方法所构建的直埋管道过缝结构模型，并包括：在埋设管道之外，采用套管或柔性材料所形成空腔的尺寸，以不干涉过缝管段变形为条件，则空腔的内径Φ不应小于混凝土径向变形H和管道外径Do之和；考虑施工的偏差，并应根据管段长度L的值，留有适当的余度。本专利技术提供一种直埋管道过缝结构模型的构建及分析方法，具有如下有益效果：根据不同地质条件提出了混凝土直埋管道的结构缝设置工况和设置区域，建立了混凝土直埋管道的结构缝的管道物理模型，即为混凝土直埋管道预留空腔的管道物理模型和为预留空腔填充保护材料的管道物理模型。提出了在混凝土直埋管道空腔不变形的条件下仅承受内水压力和温度变化时的管道应力计算边界条件假定和分析方法；提出了在混凝土直埋管道空腔变形的条件下的管道应力计算边界条件假定和分析方法；提出了在混凝土直埋管道空腔变形、同时还需承受管道内水压力和温差变化条件下的管道应力计算边界条件假定和分析方法。此外，找出了混凝土直埋管道过缝过程中的应力应变规律：(1)在混凝土分缝处发生变形时，会对埋设管道的过缝管段产生附加应力，这些附加的应力是不可以被忽略的，应该根据应用条件计算管段最大组合应力，判断埋设管道在通过混凝土分缝处是否安全；(2)相对而言，管道对于轴向变形的适应能力更差；(3)通过增加管道壁厚的方法，对于减小最大应力的作用不大；而增加管段长度是比较有效的方法；(4)大管径管道过缝处理所需要的预留空腔更长，通常的处理更容易引起管道应力超出设计值，因而更应该引起重视；(5)管道过缝处理的空腔内径需要大于径向变形和管道壁厚之和，并留有余度。本专利技术为混凝土直埋管道过缝结构提供了合理的物理结构模型，提出了正确的分析方法，为混凝土直埋管道过缝参数设计提供了正确的理论指导，是值得推广应用的模型构建方式和处理思路，值得推广应用。附图说明图1为埋设在混凝土中的直管道变形前后状态示意图。图2为埋设在混凝土中的直管道受力示意图。图3为有限元模型的计算结果图。具体实施方式参照附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细地描述。在环境温度发生升高或降低的变化时，钢材和混凝土会随之膨胀或收缩；这是在进行埋设管道设计时需要考虑的问题。当查阅常用钢材的线膨胀系数时，可能会得到10×10-6/K-14×10-6/K的范围值；这是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种直埋管道过缝结构模型的构建方法，其特征在于：所述直埋管道过缝结构模型的构建方法包括：埋设在混凝土中的直管道，在穿越分缝时，如果不增设柔性管节，则通常会在一段管道外加设套管或外敷柔性材料，以在较长的一段埋设管道外形成一个空腔，将局部变形转化为一段管道的变形，以增加管道对于变形的适应能力，因此，构建如下管道过缝时的物理模型，A、C为管段进入混凝土处的两个端点，B为管段的中点；DL为由于混凝土变位产生的管道长度方向的增变量，H为由于混凝土变位产生的管道径向的变量；以此为基础，分析该结构受力变化，管段长度为L，f为管段A点和C点由于长度方向变量DL产生的力，F为管段A点和C点由于径向变量H产生的力，M为管段A点和C点由于径向变量H产生的弯矩；在管道材料弹性范围内，物理模型忽略A点和C点外混凝土内管道的变形，忽略空腔内柔性材料的作用，将分缝处可能发生的倾斜变形转换为轴向和径向变形。/n

【技术特征摘要】
1.一种直埋管道过缝结构模型的构建方法，其特征在于：所述直埋管道过缝结构模型的构建方法包括：埋设在混凝土中的直管道，在穿越分缝时，如果不增设柔性管节，则通常会在一段管道外加设套管或外敷柔性材料，以在较长的一段埋设管道外形成一个空腔，将局部变形转化为一段管道的变形，以增加管道对于变形的适应能力，因此，构建如下管道过缝时的物理模型，A、C为管段进入混凝土处的两个端点，B为管段的中点；DL为由于混凝土变位产生的管道长度方向的增变量，H为由于混凝土变位产生的管道径向的变量；以此为基础，分析该结构受力变化，管段长度为L，f为管段A点和C点由于长度方向变量DL产生的力，F为管段A点和C点由于径向变量H产生的力，M为管段A点和C点由于径向变量H产生的弯矩；在管道材料弹性范围内，物理模型忽略A点和C点外混凝土内管道的变形，忽略空腔内柔性材料的作用，将分缝处可能发生的倾斜变形转换为轴向和径向变形。


2.一种基于直埋管道过缝结构模型的分析方法，其特征在于：所述基于直埋管道过缝结构模型的分析方法基于权利要求1所述的直埋管道过缝结构模型的构建方法所构建的直埋管道过缝结构模型，并包括：
(1)混凝土变形前的管道特性分析
对于管道承受内水压力，可以由下式计算ABC管段承受的管道周向应力σ11，下式中，P为管道内水压力，Di为管道内经，Dt为管道壁厚；



由上式可以得出，由于管道内水压力引起的管段周向应力σ11与管道内水压力P、管道内径Di正比例相关，与管道壁厚Dt反比例相关；与管段长度L无关；
对于管道埋设后的温度变化，可以由下式计算ABC管段承受的管道轴向温变应力，式中，α为管道的线膨胀系数，E为管道的弹性模量，DT为温度增加值；
σ12＝-αEDT(2)
由上式可以得出，由于管道温度变化引起的管段轴向应力σ12与温度变量DT正比例相关，与管道内径Di或外径Do、壁厚Dt以及管段长度L无关；
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李胜兵，方杰，曹春建，陈军，陈丁力，陈鹏，
申请(专利权)人：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33