新型水平柔性防水套管有限元分析

朱正國(guó),徐永凱,羅 沖,陳 輝,張 烽

(1. 淮安高新控股有限公司, 江蘇 淮安 22320;2. 淮安市博彥土木工程科學(xué)研究院有限公司, 江蘇 淮安 223003;3. 南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 南京 211167)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市人口的不斷增長(zhǎng),城市建筑的使用空間得到進(jìn)一步擴(kuò)展.在建筑物設(shè)計(jì)方面往往將管道集中設(shè)置,需要管道直接穿過(guò)樓面、屋面或墻面.在這種情況下,防水套管的安裝便是保證排水工程質(zhì)量最關(guān)鍵的技術(shù)之一.防水套管是一種管道穿墻管,按照不同的結(jié)構(gòu)形式可分為柔性防水套管、剛性防水套管和剛性防水翼環(huán)三種類型[1].剛性防水套管常被用于地下室外墻和水池,對(duì)墻體的防水十分有利,但是對(duì)于穿墻后墻體兩面的防水性能需要加強(qiáng)防護(hù).

1 工藝原理

1.1 現(xiàn)有柔性防水套管

現(xiàn)有地下室混凝土外墻柔性穿墻套管采用外墻微嵌式結(jié)構(gòu)[2],如圖1所示,能利用柔性填縫材料的自密封性能進(jìn)行防水密封,并通過(guò)法蘭盤(pán)將密封圈充分壓緊使其不易松動(dòng).該結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是便于后期的拆卸,但防水套管中段與穿墻管形成的腔體為中空,且其內(nèi)未設(shè)置相應(yīng)的密封材料,常規(guī)滲漏試驗(yàn)無(wú)法檢測(cè)該段是否漏水;當(dāng)該段空腔出現(xiàn)液體滲漏時(shí),雖然不會(huì)迅速滲漏到墻體兩側(cè),但是長(zhǎng)時(shí)間浸泡依然會(huì)對(duì)墻體造成一定程度的損壞.除此之外,現(xiàn)有防水密封結(jié)構(gòu)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)較好的密封性,但是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、占用空間大、且均為一次性使用.

1. 穿墻管;2. 外螺母;3. 內(nèi)螺母;4. 加勁板;5. 外墻;6. 止水環(huán);7. 柔性填縫材料;8. 密封膏嵌縫;9. 橡膠墊;10. 螺桿;11. 外法蘭盤(pán);12. 內(nèi)法蘭盤(pán);13. 短管;14. 密封圈;15. 內(nèi)擋板;16. 柔性防水套管;17. 推板;18. 外擋板

1.2 新型柔性防水套管

為解決水平穿墻管道用防水套管工藝中存在的問(wèn)題,將現(xiàn)有穿墻管結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),主要增加了止水環(huán)、密封堵件以及分體式的檢漏腔等組件(如圖2所示).新型柔性防水套管增加的檢漏腔上設(shè)有用于檢測(cè)空腔內(nèi)是否滲漏的檢漏管[3],滲漏試驗(yàn)時(shí)檢漏管一端與檢漏腔連通布置,另一端與高壓水泵或灌漿泵相連.新型水平穿墻管道用防水套管的構(gòu)造能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)套管本體與穿墻管道形成空腔內(nèi)進(jìn)行檢漏,并可以根據(jù)檢漏情況進(jìn)行及時(shí)處理,對(duì)于未發(fā)生滲漏的安裝部位,可以將檢漏腔取下,進(jìn)行再利用檢測(cè).該結(jié)構(gòu)安全可靠,檢漏方便,在無(wú)需破壞墻體和重新施工的前提下,能對(duì)防水套管部位進(jìn)行檢測(cè),并對(duì)滲漏處進(jìn)行補(bǔ)救,且可重復(fù)利用,節(jié)約施工成本.

① 套管本體;② 穿墻管道;③ 固定樁;④ 固定桿;⑤ 檢漏腔;⑥ 堵頭;⑦ 檢漏管;⑧ 外墻翼板;⑨ 止水環(huán);⑩ 內(nèi)墻翼板; 圓柱段; 圓臺(tái)段; 遇水膨脹材料; 固定膠; 連接柱; 緊固螺母; 連接翼板; 連接螺栓; 墊片; 連接鐵片; 雙螺母; 封堵塞

2 有限元結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

采用SolidWorks軟件建立新舊防水管套組件的三維模型,如圖3所示,兩個(gè)對(duì)比模型選用相同的關(guān)鍵尺寸.將三維模型導(dǎo)入Ansys workbench軟件,分別在新舊防水管套模型對(duì)應(yīng)位置處施加固定約束、固連接觸、摩擦接觸,進(jìn)行靜力學(xué)分析、模態(tài)分析以及動(dòng)力學(xué)分析.靜力學(xué)分析重點(diǎn)關(guān)注新舊防水管套模型在相同外載荷作用下的變形、應(yīng)力情況;模態(tài)分析重點(diǎn)對(duì)比新舊防水管套模型的固有頻率,分析地震波引發(fā)組件共振的可能性;動(dòng)力學(xué)分析重點(diǎn)關(guān)注新舊防水管套模型在同樣外部激勵(lì)下的振幅情況,以驗(yàn)證新型防水管套在抗震方面的優(yōu)勢(shì).

2.1 靜力學(xué)分析

為充分反映出新舊兩種防水管套組件的支承性能和抗震性能,在管路兩端設(shè)置固定約束,在防水管套組件上施加載荷.參考4級(jí)抗力的壓力值,假定穿墻管處垂直指向墻面的壓力為24 000 N.新舊兩種防水管套支承的約束條件、靜態(tài)變形及應(yīng)力水平分別如圖4、圖5所示.

如圖4所示,在給定條件下,新型防水套管組件的最大變形量為25.99 μm,最大變形出現(xiàn)在外墻翼板和套管本體,管件的最大變形量為23.9 μm;位于管件上的應(yīng)力最大值為14.20 MPa;變形云圖清晰地表明新型防水管套組件的整體變形量高度一致,應(yīng)力分布較為均勻,說(shuō)明新型防水管套組件較好地將外載荷分散在了整個(gè)組件上,應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯.

如圖5所示,在給定條件下,傳統(tǒng)防水套管組件的最大變形量為120 μm,最大變形出現(xiàn)在套管的端面,其中管件的最大變形量為39.2 μm;組件的應(yīng)力最大值為33.99 MPa,位于套管的端面;由變形云圖可見(jiàn),傳統(tǒng)防水管套組件的變形量各部分差異明顯,組件的受力面上變形最大,組件的應(yīng)力集中亦較為明顯,主要集中在組件的受力面,說(shuō)明傳統(tǒng)防水管套組件未能較好地將外載荷分散,而是集中在了受力面附近.

(a) 新型防水套管

(b) 傳統(tǒng)防水套管

圖4 新型防水套管支承下的靜力學(xué)分析

由靜力學(xué)分析結(jié)果可知,在穿墻管處壓力值相同的情況下,新型防水管套支承下的組件靜力學(xué)變形及應(yīng)力水平顯著低于傳統(tǒng)防水管套支承;新型防水管套組件能夠較好地將載荷傳遞至組件各部分,從而降低應(yīng)力集中,提高組件的可靠性.

圖5 傳統(tǒng)防水套管支承下的靜力學(xué)分析

2.2 模態(tài)分析

采用與靜力學(xué)分析相同的約束條件,在管路兩端設(shè)置固定約束,在防水管套組件上施加載荷.參考4級(jí)抗力的壓力值,假定穿墻管處垂直指向墻面的壓力為24 000 N,對(duì)比防水套管組件的模態(tài)振型與前幾階固有頻率.

如圖6所示,新型防水套管在給定外載荷作用下的前六階固有頻率分別為192.36、193.68、217.59、227.96、242.90、248.17 Hz,其中,前兩階模態(tài)的振型以套管組件鉛錘方向上的彎曲變形為主.

如圖7所示,傳統(tǒng)防水套管在給定外載荷作用下的前六階固有頻率分別為117.34、140.95、165.32、264.38、327.69、328.05 Hz,其中,第一階模態(tài)的振型以套管組件鉛錘方向上的彎曲變形為主,第二階模態(tài)的振型以套管的扭轉(zhuǎn)變形為主.

圖6 新型防水套管模態(tài)振型及固有頻率

圖7 傳統(tǒng)防水套管模態(tài)振型及固有頻率

對(duì)比模態(tài)分析結(jié)果可知,在穿墻管處壓力值相同的情況下,新型防水管套支承下的組件前三階固有頻率高于傳動(dòng)統(tǒng)水套管組件,有效地遠(yuǎn)離了低頻地震波的激勵(lì)頻段.

2.3 動(dòng)力學(xué)分析

采用與靜力學(xué)分析相同的約束條件,在管路兩端設(shè)置固定約束,在防水管套組件上施加載荷.假定受到10 Hz的地震波沖擊,新舊兩種不同防水管套支承下的管件動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖8、圖9所示.

由圖8可見(jiàn),在給定外部激勵(lì)作用下,新型防水管套的振動(dòng)位移在24.8 μm以內(nèi),頻率成分以外載激勵(lì)頻率10 Hz及少量的二倍頻為主.

由圖9可見(jiàn),在給定外部激勵(lì)作用下,傳統(tǒng)防水管套的振動(dòng)位移在1.15～27.24 μm,頻率成分以外載激勵(lì)頻率10 Hz及少量的二倍頻為主.與新型防水套管相比,傳統(tǒng)防水套管的振幅較高,且最小變形量也較高.

圖8 新型防水管套支承

圖9 傳統(tǒng)防水管套支承

對(duì)比動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果可知,在相同地震波的激勵(lì)作用下,新型防水管套支承下的管件動(dòng)態(tài)響應(yīng)水平與變形量明顯低于傳統(tǒng)防水管套支承.

3 穿墻管道黏結(jié)力力學(xué)模型

穿墻管道黏結(jié)力力學(xué)分析模型如圖10所示,假定同一截面上的穿墻管應(yīng)力和同一截面四周的黏結(jié)應(yīng)力分布均勻.黏結(jié)力包括漿液中水泥凝膠體與穿墻鋼管表面的化學(xué)膠結(jié)力和界面間的摩擦力.穿墻管所受荷載是沖擊波超壓引起的動(dòng)荷載,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 50038—2019《人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范》[4],有：

S=γSPA

(1)

式中：S為沖擊波在穿墻管與灌漿柱結(jié)合處作用的壓力(N);γS為荷載分項(xiàng)系數(shù),γS=1.0;A為穿墻管截面積(m2),A=πd2/4(d為穿墻管的外徑(m));P為在穿墻管與灌漿柱結(jié)合處沖擊波所作用的等效靜壓(MPa),P=KfKdΔPm(Kf為沖擊波超壓反射系數(shù),Kd為動(dòng)力系數(shù),按不同的防護(hù)工程抗力等級(jí)取值,考慮最大受力,取Kd=1.33,ΔPm為地面沖擊波峰值超壓).

圖10 穿墻管道黏結(jié)力力學(xué)分析模型

黏結(jié)力的計(jì)算公式為:

R=τW

(2)

式中：R為穿墻管與灌漿柱間的黏結(jié)力(N);τ為穿墻管與灌漿柱間的平均黏結(jié)強(qiáng)度,灌漿柱由普通水泥砂漿灌注,取τ=0.4 MPa;W為鋼管與填料的黏結(jié)面積(m2),W=πdl(d為穿墻管外徑(m),l為灌漿柱試件長(zhǎng)度(m),本次試驗(yàn)取l=0.2 m).

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)所提供的極限狀態(tài)[5],設(shè)計(jì)力學(xué)分析表達(dá)式為：

γ0S≤R

(3)

式中:γ0為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性系數(shù),γ0=1.0;S為荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值,S=γSSk(γS為荷載分項(xiàng)系數(shù),Sk為荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值);R為穿墻管與灌漿柱間的黏結(jié)力.

由表1中數(shù)據(jù)可見(jiàn),穿墻管與灌漿柱間的黏結(jié)力比沖擊波在管道穿墻構(gòu)造處作用的壓力大得多.因此,該構(gòu)造在防護(hù)工程低抗力等級(jí)的沖擊波超壓作用下是安全的,穿墻管與灌漿柱間的黏結(jié)力完全可以抵抗沖擊波壓力荷載的作用,保證構(gòu)造部位不發(fā)生強(qiáng)度破壞.

表1 穿墻管處壓力值與黏結(jié)力對(duì)比 N

4 結(jié)語(yǔ)

采用有限元方法對(duì)新舊兩種防水套管組件進(jìn)行靜力學(xué)分析、模態(tài)分析和動(dòng)力學(xué)分析,并利用穿墻管道黏結(jié)力力學(xué)模型證實(shí)了新型水平穿墻管道的抗災(zāi)能力.主要結(jié)論為：

1) 靜力學(xué)分析結(jié)果表明,在相同外載荷作用下,新型套管組件相較于傳統(tǒng)套管組件,最大變形量及最大應(yīng)力值均較小,說(shuō)明新型防水套管組件在提高組件承載能力、降低組件應(yīng)力水平和變形方面具有一定優(yōu)勢(shì);

2) 模態(tài)分析結(jié)果表明,新型防水套管組件的結(jié)構(gòu)能夠顯著提升組件的前三階固有頻率,使組件固有頻率能夠遠(yuǎn)離包括地震波在內(nèi)的多種低頻激勵(lì)頻段,從而降低地震波引發(fā)組件共振的幾率;

3) 動(dòng)力學(xué)分析表明,新型防水套管組件的振動(dòng)幅值以及變形量均低于傳統(tǒng)套管組件,表明新型套管組件在動(dòng)力學(xué)特性、隔振效果等方面具有一定優(yōu)勢(shì).