曲线顶管管节应力分析计算.pdf
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1、第43卷第4期 辽宁工业大学学报(自然科学版)Vol.43,No.4 2023 年 8 月 Journal of Liaoning University of Technology(Natural Science Edition)Aug.2023 收稿日期:2023-03-12 作者简介:王梓任(1985-),男,辽宁沈阳人,高级工程师,本科。DOI:10.15916/j.issn1674-3261.2023.04.009 曲线顶管管节应力分析计算 王梓任,王 硕,赵恺宁(北京金河水务建设集团有限公司,北京 102206)摘 要:为应对不同条件下的施工要求,曲线顶管技术越来越多地被应用到地下管
2、道铺设工程中。曲线顶管因管节接头处存在开口,导致曲线管节相较于直线顶管存在应力分布不均的现象。且曲线顶管管节端部和中部应力分布是不同,由于管节接头处只能提供受压,不能提供受拉,因此管节端部只存在压应力;管节中部截面,上方混凝土受拉,下方混凝土受压,因此,既存在压应力,又存在拉应力。结合材料力学中断面核理论对曲线顶管管节之间的应力进行分析,并对管节端部和中部的应力进行公式推导估算。并在南水北调配套大兴支线施工第十三标段中对 22#至 23#曲线段特制 3 根顶管,以便获得实测压应力和拉应力,与理论公式进行比较。关键词:曲线顶管应力;管节中部;管节端部;断面核理论 中图分类号:TU990.3 文献
3、标识码:A 文章编号:1674-3261(2023)04-0256-04 Stress Analysis and Calculation of Pipe Joint of Curve Jacking Pipe WANG Zi-ren,WANG Shuo,ZHAO Kai-ning(Beijing Jinhe Water Construction Group Co.LTD,Beijing 102206,China)Abstract:In order to meet the construction requirements in different conditions,curved pipe
4、jacking technology is more and more applied to underground pipeline laying engineering.Compared with straight pipe jacking,curved pipe joint has uneven distribution of stress due to the opening at its joint joint.The stress distribution of the end and the middle of the curve jacking pipe is differen
5、t.Because the joint of the pipe can only provide compression,not tension,there is only compressive stress at the end of the pipe.In the middle section of the pipe section,the concrete above is strained and the concrete below is compressed,so there is both compressive stress and tensile stress.Combin
6、ed with the core theory of section in the mechanics of materials,the stress between the curve jacking pipe joints is analyzed,and the stress at the end and middle of the pipe joints is estimated by the formula.Key words:curvilinear jacking stress;middle section;pipe end;core theory of section 顶管在施工过
7、程中,每节管节由于受到顶力和其他力的作用都会产生应力。在现有的管节应力研究中,前人以结构力学梁拱理论1和弹性力学厚壁圆筒2或壳体理论3等作为基础,分别得出了各管节应力计算模型。有限元模拟分析也是研究管节应力的重要方法4,Zhou5利用数值模拟的方法,分别建立了混凝土管道接头受力的二维和三维模型,模拟结果发现,混凝土管道受拉和局部受压是由于管线偏转导致接头错位的缘故;黄吉龙等6使用数值模拟方法对大口径玻璃钢夹砂顶管顶进过程进行了模拟,得出管节纵向应力会在管端处发生应力集中的现象。本文将依据材料力学中的断面核理论对曲线顶管之间的应力进行分析,并进行公式推导及试验验证。1 曲线顶管管节受力分析 曲线
8、顶管由于管节与管节之间存在转角,导致作用在管节上的顶推力与管节轴线不在同一直线第 4 期 王梓任等:曲线顶管管节应力分析计算 257 上。如图 1 所示,第 n-1 节管节作用在第 n 节上的力为 Pn-1,第 n+1 节管节的力作用在第 n 节的力为为 Pn+1,随着管节之间的转角越来越大,两力的方向会越来越偏离管节轴线,管节所受的应力也会逐渐发生变化。下面将引入材料力学中的断面核理论对管节所受的应力进行分析。图 1 管节间受力示意图 管节接头处的应力会随着前一节顶推力的合力在下一节管节上的位置变化而变化,也就是偏心距的影响。只有偏心距在某一范围内时,顶推力才能只产生压应力。这个范围就是断面
9、核,形状为一个圆。顶推力在断面核内只产生压应力。由图 2 可知,当顶推力 P 的偏心距 x 为 0 时,相当于直线顶管时的应力分布,管节横截面上应力均匀分布,设均匀分布时的应力大小为 0,且都为压应力。此时,0=max=min=P/A。图 2 推力偏心距x在断面核中心时 由图 3 可知,当顶推力 P 的偏心距 x 在断面核范围以内且不为 0 时,管节横截面的应力距离顶推力位置近的一端最大 max,远离顶推力位置的最小min,此时应力均为压应力。图 3 顶推力偏心距x在断面核以内时 由图 4 可知,当顶推力 P 的偏心距 x 等于断面核的范围半径时,管节横截面的应力距离顶推力位置近的一端最大 m
10、ax=20,远离顶推力位置的最小且为 min=0,此时应力也均为压应力。图 4 顶推力偏心距x在断面核边缘时 由图 5 和图 6 可知,当顶推力 P 的偏心距 x 大于断面核的范围半径且小于顶管直径的 1/2 时,管节中部和端部的应力分布是不一样的。在管节中部,管节横截面的应力距离顶推力位置近的一端最大 max,远离顶推力位置的应力大小 min为负是拉应力,应力在管节截面上呈线性分布;在管节端部,管节横截面范围内出现应力为零的位置,且在曲线顶管的接头中最大压应力为 max,应力零点以后不会出现拉应力,即零点以后不受力,最大应力到应力零点之间应力也呈线性分布。这种情况的出现主要取决于受压区 z
11、的大小,在现实顶管施工过程中,一般借助一个薄插片确定管节截面上应力零点的位置,以此可以计算受压区 z 的大小。图 5 顶推力偏心距x在断面核以外管节中部位置 图 6 顶推力偏心距x在断面核以外管节端部位置顶推力 偏心距x在断面核以外管节端部位置 2 混凝土顶管轴向应力分析 对顶管的断面核半径可由下式计算:258 辽宁工业大学学报(自然科学版)第 43 卷 218dDDr (1)式中:D 为管节外径,m;d 为管节内径,m。由 混凝土和钢筋混凝土排水管(GB/T 118362009)7规范计算可得dD的取值范围在0.70.9之间,则 r 与dD的关系如表 1 所示。表 1 r 与 d/D 的关系
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