钢筋混凝土岔管结构三维有限元分析

【摘要】钢筋混凝土岔管是一种重要的输水结构，特别是在城市供水管网中常常用到岔管
结构。

文章以某钢筋混凝土岔管结构为例，采用有限单元法建立了钢筋混凝土岔管结构计算模型，对岔管结构施工和运行中的工况组合进行了计算，分析了岔管主要分析断面的应力分布规律。

分析结果为城市供水管网中设计钢筋混凝土岔管结构提供参考依据。

【关键词】供水管网；钢筋混凝土岔管；有限元法；分析断面【中图分类号】TV332【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）11-0054-03
1工程概况
我国水资源分布不均衡，具有南多北少的的特点，近年来随着经济社会的发展，华北地区的水资源短缺问题越来越突出，南水北调工程的完成极大地缓解了这一问题。

当将南水北调的主渠道的水资源向各个城市引进时，就要用到建设输水渠道和管道，钢筋混凝土岔管是一种重要的输水结构。

某输水岔管由输水主管、岔管、支管3部分组成，主管内径为6.20m 、支管内径为3.80m ，岔管形式为卜形，支管分2支，2支管分别由岔管的直岔管连通右支管，由分岔管连通左支管。

主管、岔管、支管均采用钢筋混凝土结构。

钢筋混凝土岔管厚度为0.60m ，钢筋混凝土主管厚度为0.45m ，钢筋混凝土支管厚度为0.40m 。

2计算模型
2.1模型参数
该钢筋混凝土岔管结构采用强度为C30的混凝土，弹性模量E 1=30GPa ，泊松比μ1=0.167[1]，容重γ1=24kN/m 3。

岔管穿越地区岩体为中厚层灰岩，岩体属层状结构，围岩类别为Ⅲ类围岩，成洞条件良好[2]，岩体弹性模量E 1＝33GPa ，泊松比μ1＝0.28，容重γ1＝27kN/m 3。

2.2计算模型
采用有限元计算软件建立钢筋混凝土岔管结构的计算模型，在计算模型中采用20节点等参块体单元模拟钢筋混凝土岔管[3]，采用8节点等参块体单元模拟岔管周围岩体及土体[4]。

岔管及岩体结构单元剖分如图1所示。

2.3计算工况
在对岔管结构进行受力分析时，结合工程的实际情况[5]，
考虑了以下4种计算工况：工况1，考虑岔管结构承受最大水
压力0.32MPa ，并承受岩体对岔管的约束及压力作用；工况2，考虑施工过程中，岔管结构承受灌浆外压力0.6MPa 的作用；工况3，考虑岩体的覆盖厚度对岔管结构产生的外压力作用；工况4，考虑岔管结构承受最大水压力0.32MPa ，并承受岩体对岔管的约束作用。

3岔管结构分析
3.1分析断面
在对钢筋混凝土岔管结构进行受力分析时，为方便进行计算分析，从所分析的岔管段内取出10个断面，如图2所示。

沿岔管的轴线方向，取出与其所在岔管段轴线垂直的横断面A-A （主管的上游过渡断面）、B-B 、C-C （过钝角分岔点的断面）、D-D （过中心点的断面）、E-E 、F-F （过锐角分岔点的断面）、G-G （主岔管的下游过渡断面）、H-H （转弯处断面）、K-K （分岔管与E-E 相交的断面）、L-L （分岔管的下游过渡断面）等10个断面及内侧相贯线断面I-I （过钝角分岔点的断面）、J-J （过锐角分岔点的断面）。

3.2应力分析
通过对钢筋混凝土岔管结构的应力分析，计算得到了各工况下岔管环向应力分布云图，工况4下各分析断面岔管环
【基金项目】本文系湖南省教育厅资助科研项目“城市供水管网中钢筋混凝土岔管结构分析研究”的研究成果（项目编号：17C0281）；湖南城建
职业技术学院资助科研项目“市政供水管网中钢筋混凝土岔管有限元仿真分析”的研究成果（项目编号：16KTZD07）。

【作者简介】姬栋宇，男，河南濮阳人，博士，湖南城建职业技术学院副教授，主要从事工程结构的数值仿真分析工作。

钢筋混凝土岔管结构三维有限元分析
姬栋宇，龚云成，韦
静，邹艳花
（湖南城建职业技术学院，湖南湘潭411101）
图2岔管结构分析断
面示意图
图1岔管及岩体结构单元剖分
向应力分布曲线如图3至图14所示。

从图3至图14可以看出，工况4考虑施工因素，只计岩体的约束作用，不计岩体自重的作用。

A-A 断面上出现的最大环向拉应力为1.270MPa ，最大环向压应力为-0.870MPa ；B-B 断面上出现的最大环向拉应力为1.303MPa ，最
大环向压应力为-1.066MPa ；C-C 断面上出现的最大环向拉应力为1.162MPa ，最大环向压应力为-1.055MPa ；D-D 断面上出现的最大环向拉应力为1.130MPa ，最大环向压应力为-1.082MPa ；E-E 断面上出现的最大环向拉应力为1.041MPa ，最大环向压应力为-1.242MPa ；F-F 断面上出现的最大环向拉应力为1.719MPa ，最大环向压应力为-1.467MPa ；G-G 断面上出现的最大环向拉应力为1.287MPa ，最大环向压应力为-1.429MPa ；H-H 断面上出现的最大环向拉应力为0.890MPa ，最大环向压应力为-0.933
MPa ；I-I 断面上出现的最大环向拉应力为1.078MPa ，最大环向压应力为-0.641MPa ；J-J 断面上出现的最大环向拉应力为2.127MPa ，最大环向压应力为-1.808MPa ；K-K 断面上出现的最大环向拉应力为0.656MPa ，最大环向压应力为-0.903MPa ；L-L 断面上出现的最大环向拉应力为0.073MPa ，最大环向压应力为-0.166MPa 。

4结语
综上所述，在施工过程中，由于钢筋混凝土岔管结构和围岩之间存在初始缝隙，此时岔管周围岩体对岔管没有预压作用，围岩对岔管只是一种约束作用，不用考虑围岩对岔管
的重力作用，该工况比较接近于岔管的实际运行情况，可将该工况作为岔管设计的控制工况，岔管结构的最大拉应力为2.127MPa ，该应力值是岔管结构配筋计算和校核的主要依据。

图3工况4下A-A 断面
环向应力图
图4工况4下B-B 断面
环向应力图
图5工况4下C-C 断面环向应力图
图6工况4下D-D 断面
环向应力
图
图7工况4下E-E 断面
图8
工况4下F-F 断面
图9工况4下G-G 断面环向应力图
图10工况4下
H-H 断面环向应力图
图11工况4下I-I 断面环向应力图
图12工况4下J-J 断面
环向应力图
图13工况4下K-K 断面环向应力图图14工况4下L-L 断面
环向应力图
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［责任编辑：钟声贤］
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308311288302289312299308279289表2手刹力数据表
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［责任编辑：钟声贤］
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