沉管工程DN1800壓力鋼管變形分析與控制

李高攀，董友奇，王建 （中國(guó)電建市政集團(tuán)山東工程有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

1 工程概況

阜陽(yáng)城市供水工程是引江濟(jì)淮工程（江水北送段）重要組成部分，工程施工內(nèi)容包括新建插花站、加壓站及供水管道，供水至阜陽(yáng)第四水廠。供水管道全長(zhǎng)4.83km，設(shè)計(jì)流量7.74m3/s，主要以PCCP管道（預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管）為主，其中穿沙潁河段采用壓力鋼管沉管法施工，管材為Q235B螺旋焊接鋼管，公稱直徑1800mm，外徑1820mm，壁厚22mm，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長(zhǎng)度為12m/節(jié)，設(shè)計(jì)壓力 0.4MPa，水壓試驗(yàn)壓力 1.0MPa。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，鋼管連接均為焊接，沉管段單根鋼管全長(zhǎng)217m。沉管作業(yè)區(qū)施工平面布置見圖1。

圖1 沉管作業(yè)區(qū)施工平面布置

2 鋼管入水階段變形分析

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

鋼管全長(zhǎng)217m，入水滑道長(zhǎng)48m，滑道坡比為1：24（傾斜角為2.4°），鋼管入水流程及滑道和鋼管有限元模型見圖2。

圖2 滑道及鋼管有限元模型

2.2 鋼管入水過(guò)程變形計(jì)算結(jié)果分析

針對(duì)鋼管入水長(zhǎng)度不同所產(chǎn)生的撓度影響，開展多種工況數(shù)值計(jì)算分析，詳見圖3、圖4。

圖3 不同鋼管入水深度的變形矢量圖

圖4 鋼管入水撓度變形圖

由上圖可知：當(dāng)鋼管出滑道119m時(shí)，遠(yuǎn)端有最大凹陷變形約為175mm；當(dāng)鋼管出滑道131m時(shí)，遠(yuǎn)端附近有最大凹陷變形約為180.9mm；當(dāng)鋼管出滑道143m時(shí)，遠(yuǎn)端發(fā)生最大凹陷變形198.4mm；當(dāng)鋼管出滑道213m時(shí)，此時(shí)僅有4m的鋼管在滑道上，在滑道與接觸位置處可能發(fā)生應(yīng)力集中問(wèn)題。

綜上所述，隨著鋼管不斷滑入水面，遠(yuǎn)端的撓度變形在不斷地加大。鋼管入水過(guò)程中，撓度發(fā)生較大的變化的管段在最遠(yuǎn)端且在最后管段入水中，要時(shí)刻注意管段與滑道接觸處，避免發(fā)生過(guò)大的變形，因此可以考慮在遠(yuǎn)端加大吊桿的力，防止鋼管自重壓彎。

由表1可知：因入水坡道與入水的鋼管有2.4°夾角，在接觸位置處存在應(yīng)力集中，易發(fā)生剪切破壞。但接觸位置處最大剪切應(yīng)力48.49MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Q235鋼材的抗剪強(qiáng)度120MPa，因此鋼管浮運(yùn)中無(wú)需考慮剪切破壞問(wèn)題。

表1 鋼管入水剪切應(yīng)力

3 鋼管水面浮運(yùn)變形對(duì)鋼管的影響分析

3.1 鋼管水面浮運(yùn)變形的計(jì)算模型

如圖5所示，鋼管底部直線段距離128m，左岸（北岸）斜管段直線長(zhǎng)度37.62m，右岸（南岸）斜管段直線長(zhǎng)度40.84m，外徑1820mm，內(nèi)徑1776mm，壁厚22mm，折線段角度均為158°（詳見圖5）。計(jì)算水流與鋼管交叉角度分別為30°、60°、90°三種工況。

圖5 管道模型

3.2 鋼管水面浮運(yùn)變形的計(jì)算結(jié)果分析

由于鋼管是從河岸用拖船逐步拖運(yùn)到下沉位置，為此，針對(duì)不同河流速度與拖船速度之比的工況下，研究鋼管與河岸不同夾角情況下鋼管水面浮運(yùn)變形規(guī)律（詳見圖6、圖7、圖8、圖9）。

圖6 鋼管與河岸30°夾角撓度圖

圖7 鋼管與河岸60°夾角撓度圖

圖8 鋼管與河岸90°夾角撓度圖

圖9 鋼管最大位移圖

由圖9知：①當(dāng)船速與河流速度1:1時(shí)，鋼管與河岸夾角30°、60°、90°最大位移量分別為17.32mm、27.32mm、45mm；②當(dāng)船速與河流速度2:1時(shí)，三個(gè)角度的最大位移量分別為28.87mm、44.64mm、47.46mm；③當(dāng)船速與河流速度3:1時(shí)，三個(gè)角度的最大位移量分別為 40.41mm、61.96mm、49.87mm。當(dāng)鋼管與河岸夾角30°、60°時(shí)，位移在鋼管固定處最大；當(dāng)鋼管與河岸夾角90°時(shí)，位移在沉管中間處最大。綜上所述，隨著鋼管與河岸的夾角越大，水流對(duì)鋼管旋轉(zhuǎn)的阻力越來(lái)越大，當(dāng)水流方向與鋼管垂直時(shí)，此時(shí)阻力達(dá)到最大。綜上所述，船速越快，吊點(diǎn)位置處的應(yīng)力集中與撓度變形越嚴(yán)重，但其剪力不會(huì)超過(guò)Q235鋼材的抗剪強(qiáng)度，應(yīng)該考慮加大吊點(diǎn)位置處與鋼管的接觸面積，避免產(chǎn)生過(guò)大的變形。

4 鋼管注水變形分析

4.1 鋼管水上起吊船吊裝能量與注水變形的計(jì)算模型

如圖10所示，水流模型長(zhǎng)200m，寬180m，高20m，動(dòng)力粘度1.1cp。模型左右兩側(cè)及底部均設(shè)置無(wú)剪切邊界，頂部無(wú)約束，前后設(shè)置流速為1m/s。

圖10 鋼管入水模型圖

4.2 鋼管注水變形的計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)在鋼管兩端進(jìn)行注水，使鋼管自重增加，逐漸從漂浮狀態(tài)轉(zhuǎn)換為沉降狀態(tài)。為此，通過(guò)理論計(jì)算得到鋼管注水體積Va，使其鋼管與注水的總重量與浮力相互平衡；再分3種工況分別計(jì)算不同Va情況下，研究鋼管注水過(guò)程變形規(guī)律（詳見圖11、圖12、圖13）。

圖11 鋼管注入0.5Va體積水

圖12 鋼管注入Va體積水

圖13 鋼管水平段及斜管段全注滿水

由圖11-圖13可知，隨著沉管中注入水量的體積不斷加大，鋼管直線段撓度變化越來(lái)越大，鋼管豎向撓度最大分別為 82.26mm、144.5mm、123.7mm，鋼管最大支反力分別為127.2kN、398.8 kN、157.1 kN。沉管在注水下沉過(guò)程中，最大豎向撓度變形均發(fā)生在直線段每?jī)蓚€(gè)吊點(diǎn)的跨中位置，最大支反力發(fā)生在水平段三個(gè)吊點(diǎn)位置。當(dāng)注入Va體積的水量時(shí)，注入水量在沉管中的長(zhǎng)度達(dá)139.8m，此時(shí)支反力相對(duì)其他兩種情況最大，考慮為直線段管重與水過(guò)重，而兩側(cè)斜段無(wú)水，在折線段產(chǎn)生擠壓現(xiàn)象，因此支反力達(dá)到最大。當(dāng)注入水量為全管段時(shí)，相較于其他兩種情況，此時(shí)沉管豎向撓度變形最小，最大處為12cm左右。由圖知沉管支反力最大位置處為直線段的三個(gè)吊點(diǎn)，因此考慮加大直線段吊力而兩側(cè)吊點(diǎn)的力可略微減小，防止直線段與斜段交接處發(fā)生過(guò)大擠壓。

5 鋼管下沉過(guò)程變形分析

鋼管注水完成后，保持豎直在不同吊點(diǎn)布置和受力狀態(tài)下進(jìn)行下沉放置。為此，開展了4個(gè)吊點(diǎn)、5個(gè)吊點(diǎn)在15m、16m水深的下沉變形分析（詳見圖14、圖15、圖16）。

圖14 4個(gè)吊點(diǎn)鋼管最大撓度矢量圖

圖15 5個(gè)吊點(diǎn)鋼管最大撓度矢量圖

圖16 鋼管應(yīng)力及撓度變化圖

由圖14-圖16可知：撓度變化最大位置在沉管居中位置，最大撓度變形達(dá)64mm，兩端處撓度變形較小，僅為5-6mm。在吊點(diǎn)數(shù)量方面，采取5個(gè)吊點(diǎn)可明顯減小沉管在跨中位置處的撓度變形，減少量達(dá)15mm左右，因此考慮采用五個(gè)吊點(diǎn)整體下沉法。在沉管轉(zhuǎn)折點(diǎn)出撓度變化比較明顯，左右最大相差20mm左右，因此應(yīng)注意吊點(diǎn)位置處沉管的撓度變形，可以采取增大吊桿與沉管的接觸面積、各吊點(diǎn)緩慢勻速松繩使管道逐漸下沉，在下沉過(guò)程中要采用GPS隨時(shí)監(jiān)測(cè)管道的軸線位置，并且校正管道位置，保證管道的沉放軸線與設(shè)計(jì)位置完全吻合。

6 結(jié)論

沉管過(guò)程中控制管道變形和局部應(yīng)力是保證管道安全的關(guān)鍵，通過(guò)分析鋼管入水、水面浮運(yùn)、注水下沉等環(huán)節(jié)鋼管變形，得出以下結(jié)論：

①隨著沉管不斷入水，遠(yuǎn)端撓度變形量不斷加大，但總體變形量在允許范圍內(nèi)，應(yīng)考慮加大遠(yuǎn)端吊桿的拉力（數(shù)值計(jì)算中拉力值為201.1kN），防止遠(yuǎn)端隨著沉管的不斷入水被自重壓彎；

②采用5個(gè)吊點(diǎn)，岸上兩端各設(shè)置一臺(tái)10T履帶吊，水上采用三艘起吊能力為100T的起吊船控制管道下沉，管重遠(yuǎn)小于五艘起吊船的起吊能力，但在吊點(diǎn)位置處易發(fā)生應(yīng)力集中和剪切破壞問(wèn)題，因此應(yīng)采取加大吊桿與沉管表面的接觸面積等措施；

③水面浮運(yùn)過(guò)程中，船速盡量不要過(guò)快，要時(shí)刻關(guān)注沉管河岸固定點(diǎn)與吊點(diǎn)位置處沉管的變形情況，防止船速過(guò)快在吊點(diǎn)位置處發(fā)生剪切破壞。當(dāng)沉管與水流方向垂直時(shí)，此時(shí)沉管跨中位置處將受到較大的水流沖擊力，因此要利用GPS隨時(shí)觀測(cè)沉管跨中位置處軸線的偏移情況，若偏移較大，考慮在跨中位置處再增加一根吊桿固定沉管；

④在吊點(diǎn)數(shù)量選擇方面，五個(gè)吊點(diǎn)整體下沉法能夠有效地減小沉管跨中位置處的撓度變形；沉管下沉到不同的水深下，整體撓度變形不大，要注意吊點(diǎn)位置處的撓度變形與應(yīng)力集中問(wèn)題；

⑤在沉管注入下沉過(guò)程中，當(dāng)注入水量為0.5Va時(shí)，此時(shí)沉管最大撓度為88.26mm，最大吊點(diǎn)力 127.2kN；當(dāng)注水量為Va（沉管注水長(zhǎng)度141.2m），沉管最大撓度144.5mm，最大吊點(diǎn)力398.8 kN；當(dāng)沉管直線段與斜線段（206.46m）全注滿水時(shí)，此時(shí)沉管撓度變形為123.7mm，沉管最大吊點(diǎn)力157.1 kN。沉管在注水下沉過(guò)程中，最大豎向撓度變形均發(fā)生在直線段每?jī)蓚€(gè)吊點(diǎn)的跨中位置，最大支反力發(fā)生在水平段三個(gè)吊點(diǎn)位置。沉管過(guò)程中，應(yīng)考慮沉管全注滿水緩慢下沉，避免僅有直線段注入水將管段壓彎。

⑥沉管注水下沉過(guò)程中，五根吊點(diǎn)要均勻用力，使沉管緩慢勻速下沉。其中，撓度變化最大位置在沉管居中位置，兩端處撓度變形較小，因此應(yīng)注意吊點(diǎn)位置處沉管的撓度變形。為此在下沉過(guò)程中，施工人員要不斷采用GPS監(jiān)測(cè)管道的軸線位置，尤其是折線段位置處的沉管并及時(shí)提醒起吊船改變吊力校正管道位置，保證管道沉穩(wěn)地下降到溝槽中。