世界最大履带吊车4000吨履带吊站位下企口式 钢筋混凝土雨水管损伤分析

摘要：

在大件设备吊装工程中，经常遇到吊车站位下方有埋地管道，通常的埋地管道有钢制管道、素混凝土管道、承插式混凝土管道、企口式混凝土管道等。其中企口混凝土管道由于端口是刚性插接加橡胶垫密封，混凝土是塑性材料，再加上钢筋笼的耦合作用，计算难度相当大。同时大件设备吊装工程又属于高风险性工程，由于吊车自重大、吊装物体重量大，造成整个吊装系统重量大。因此对地基承载力、均匀沉降度的要求很高。地下埋地管道需要进行严谨计算，确保埋地管道不会损坏，否则造成吊装地基失稳，吊车倾覆的危险，或者埋地管道受损造成生产企业因故障停工。由于混凝土管道比较复杂，普通解析法无法计算混凝土管道是否受压损伤，接口是否受压错开，造成功能失效。本文通过有限元对某炼化项目中吊车站位区域下企口式连接钢筋混凝土雨水管进行损伤数值分析研究。

关键词：埋地管道、吊车站位、有限元、企口式、数值分析

1.  前言

由于土的性质的复杂性，影响因素的多样性以及作为天然材料的不可控的性质变异，在解决实际问题时，经典力学往往难以奏效。土具有颗粒性、流动性，在受压过程中既有弹性变形也有塑性变形，利用解析法往往只能计算弹性变形范围，或者计算塑性变形时非常麻烦，计算结果相对不准确；

钢筋混凝土管道作为一种复合材料本身强度计算比较复杂，同时传统计算中为了简化计算往往加入了经验性系数造成误差偏大。

文本通过利用数值分析方法计算某炼化项目中XGC88000型4000吨履带吊单侧履带下方埋地钢筋混凝土地管的计算分析。并分析找出损伤位置以及开裂位置。

2.  工况介绍

4000吨履带吊一侧履带下方有一外径2.2米的，壁厚220mm、每段5m长的企口式钢筋混凝土管道。

3.  有限元计算分析

3.1 建模

本校核中采用ABAQUS建模。模型尺寸如下：

	固化层m	淤泥层m	钢板m	雨水管m
长	30	30	15	30
宽	30	30	7	2.2（外径）
高	1.9	8.1	0.4	0.22（厚）

 

1）下图中：蓝色为路基箱；

红色为淤泥；

绿色为固化层：

灰色为沙子垫层：最薄处厚0.6m

模型装配图（1）

2）管道为柔性企口管，5米一段；

企口管道组合图（2）

 

钢筋笼：根据规范：环筋间距400mm，纵筋间距150mm，直径5mm（3）

 

 

单个5米段雨水管（4）

 

3.1 前处理

采用ABAQUS 6.14版进行前处理

1）.网格类型：

结点总数: 397600

单元总数: 359505

单元类型: C3D8R 线性 六面体   

模型整体网格（5）

 

对淤泥圆孔周围切分细化为中心辐射型网格连续性过渡；（6）

 

 

管道网格（7）

 

3.3 材料属性：

固化土、淤泥（基于摩尔-库伦弹塑性原理）

混凝土（基于弹塑性混凝土损伤塑性原理）

固化层相关参数根据地勘报告得出

密度（kg/m^3)	弹性模量pa	泊松比	摩擦角°	膨胀角°	粘聚力pa
1900	50000000	0.1	15	0.1	40000

 

淤泥层相关参数根据地勘报告得出

密度（kg/m^3)	弹性模量pa	泊松比	摩擦角°	膨胀角°	粘聚力pa
1800	8000000	0.4	4.2	0.1	24100

 

混凝土相关参数

密度（kg/m^3)	弹性模量pa	泊松比
2350	32500000000	0.2

（C40本构模型属性）

膨胀角	偏心率	FB	K	粘性参数
15	0.1	1.16	0.66666	0.0005

混凝土受压参数

受压行为
屈服应力	非弹性应变	损伤参数	非弹性拉紧
18760000	0	0	0
26800000	0.00076481	0.060751	0.00019
16909700	0.00265856	0.249562	0.000817
10469900	0.00444614	0.483663	0.002014
7378840	0.00613068	0.773439	0.006422
5650070	0.0077733	0.84606	0.01
4562410	0.0093962	0.918817	0.02
3819830	0.0110085	0.94492	0.03
3282340	0.0126144
2876020	0.0142164

 

 

 

混凝土受拉参数

受拉行为
屈服应力	开裂应变	损伤参数	破裂拉紧
2413900	0	0	0
2390000	3.09E-05	0.623855	0.00019
1263670	0.00017	0.868814	0.000817
815537	0.000288	0.936374	0.002014
615229	0.000399	0.985622	0.006422
501733	0.000507	0.983194	0.01
428080	0.000614
376039	0.00072
337082	0.000825
306681	0.000931
101338	0.004176

 

3.4 约束方式：

根据实际工况，对淤泥底部约束Y轴向位移。

3.5 接触方式：

1）面与面之间设置摩擦接触

钢-固化	混凝土-淤泥土	淤泥-固化	其余
0.3	0.3	Tie连接	0.3

2）钢筋笼与混凝土嵌入式接触

3.6 加载方式：

    在路基箱上均布加载，27t/m²。

3.7 结果分析

1） 固化层与淤泥应力位移分析结果

 

 

地基应力云图-Y方向截面（144.9KPa）（8）

 

X-截面应力云图（9）

 

位移云图-Y截面（52.51mm）（10）

 

位移云图-X截面（11）

 

节点位移走势云图（12）

2） 管道分析

 

 

应力云图（10Mpa）（13）

 

Y向截面图应力云图（14）

 

X截面图应力云图（15）

 

位移节点走势云图（整体位移为43.64mm）（16）

管道整体位移云图（17）

最大值与最小值相差：4.364-2.24=2.124*0.01=0.02124m

 

管道整体Y截面位移云图（18）

 

位移最大部位的中间两节（19）

最大值与最小值相差：4.364-3.41=0.954*0.01=0.00954m

 

 

局部放大图（20），下方连接处相差0.00655902m

 

3） 管道自身强度分析

 

混凝土塑性应变值：0.0002789<0.002

自身强度满足（21）

4.  结论

1）10MPa<16.1Mpa  强度满足

2）0.0002789<0.002 损伤性满足要求

3）因受压管道节最大产生距离0.00655902m，由于是企口式管道，能承担一定的不均匀沉降，和允许小转角（1.5°以内）且具有橡胶垫可以起到防漏水功能。

由于混凝土本身的特性复杂性，在工程计算中需要严谨计算。建议在大口径管道且上面需要承载压力时采用企口管，可减小被压坏的概率。作者之前写过一篇《基于有限元abaqus软件对吊装站位下混凝土地管损伤仿真分析》是针对承插管道的分析，因承插口用水泥灌浆密封，可简化为一根混凝土管道，这种管道不建议上面有重载，易破坏。

在大件吊装工程中，当起重机站位区域下有承插型刚接地下混凝土管道时建议进行采取保护措施；当有企口式混凝土管道时建议就管道情况、地质情况、受压情况进行详细计算后再决定。