橡胶坝充排水管材料选择及力学分析

第１７卷第４期　２ＯＯ４第ｌ２月　湖南理工学院学报（自然科学版）　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｕｎａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｅｉｅｎｃｅｓ）　ＶｏＩ．１７　Ｎｏ．４　

Ｄｅｃ．２００＿ｌ　

橡胶坝充排水管材料选择及力学分析　谢海峰，郭少华，候秀丽　（中南大学土木建筑工程学院，湖南长沙４１００８３）　

摘要：考虑坝体荷载、内水压力、温度应力作用下，通过非线性有限元方法，对采用不同材料（钢管和ＵＰＶＣ　管）的橡胶坝充排水管的应力进行了分析，论证了采用ＵＰＶＣ管作为橡胶坝充排水管的可行性。　关键词：橡胶坝充排水管；ＵＰＶＣ管；应力分析　中图分类号：Ｔｖ４１　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—５２９８（２００４）１Ｍ一００８３—０３　

Ｃｈｏｉｃｅ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｅｎｓｔｏｃｋ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｗｉｔｈｉｎ　ｒｕｂｂｅｒ　ｄａｍ　ＸＩＥ　Ｈａｉ—ｆｅｎｇ，　ＧＵ０　Ｓｈａｏ—ｈｕａ，ＨＯＵ　Ｘｉｕ—ｌｉ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇ．＆Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ＣｅｎｔｒａＪ　Ｓｏｕｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００８３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｎｄｅｒ　ｂｏｄｙ　ｌｏａｄ，ｉｎｔｅｒｎａｌ　ａｎｄ　ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｗａｔｅｒ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｌｏａｄ，ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｐｅｎｓｔｏｃｋ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｗｉｔｈｉｎ　ｒｕｂｂｅｒ　ｄａｍ　ｂｙ　ｄｉｆ－　ｆｅｒｅｎｔ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ（ｓｔｅｅｌ　ｐｅｎｓｔｏｃｋ　ａｎｄ　ＵＰＶＣ　ｐｅｎｓｔｏｃｋ），ｉｔ　ｗａｓ　ｐｒｏｖｅｄ　ｏｕｔ　ｔｈａｔ　ＵＰＶＣ　ｐｅｎｓｔｏｃｋ　ｃａｌｌ　ｂｅ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｗｉｔｈｉｎ　ｒｕｂｂｅｒ　ｄａｍ　ａｓ　ｐｅｎｓｔｏｃｋ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｅｎｓｔｏｃｋ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｗｉｔｈｉｎ　ｒｕｂｂｅｒ　ｄａｎ，；ＵＰＶＣ　ｐｅｎｓｔｏｃｋ；ｓｔｒｅｓｓ　ａｎａｌｙｓｉｓ　

江西新余市袁河城区段蓄水工程橡胶坝工程是城区污染治理的主要工程。本文根据橡胶坝的设计、　施工和实际运行情况，采用非线性有限元方法，着重分析在不同工况下，充排水管周边混凝土和坝内埋管　管身应力的变化情况，得出硬质ＰＶＣ管替代无缝钢管的可行性，使设计更加合理、经济。　

１　相关材料及性质　计算中采用材料的物理力学性质见表１：　表１材料物理力学性质指标　

材料　模量Ｅ　（ＭＰａ）　泊松　重度　抗拉强度　工作压力　极限拉应变　

比　（ｋＮ／ｍ　）　（ＭＰａ）　（ＭＰａ）　（１０　ｍｍ／ｍ）　泥质粉砂岩　Ｃ２０混凝土　无缝钢管　硬质ＰＶＣ　

３．１×１０　２．１×１０４　２．１×１０６　３２００　０．２１　０．１６７　０　３　２０　２４　７８．５　１３、５　１．１　３２０　４８　０．７５　１００　

５９　０ｏ０　

收稿日期：２００４—０７—１５　作者简介：谢海峰（１９７６一），男，湖南沅江人，中南大学土木建筑工程学院硕士研究生。主要研究方向：水工结构与设计。　湖南理工学院学报（自然科学版）　第ｌ７卷　２　埋管应力分析　２．１基本假定　埋管承担均匀内水压力计算的基本原理和假定：埋管和混凝土之间由于存在缝隙，使埋管先单独承担　内水压力，然后和混凝土共同承担。本文通过分析坝体混凝土是否开裂，裂多深，是否裂穿等，从而确定埋　管传给坝体混凝土的内水压力，并计算埋管的环向拉应力。　埋管温度应力分析的基本原理和假定：温度场按混凝土浇筑和冷却期，管内温度突然变化。　基岩对混凝土摩擦力系数为０．６，大坝水平方向不产生位移，同时基岩在建坝前已完成，所以大坝竖　直方向也不产生位移，坝基础近域（取混凝土坝厚度的３倍）用有限元，在远域用无限元。　２．２本构关系及屈服准则　在本次ＡＮＳＹＳ分析中，钢筋混凝土采用分离式模型（ｓｏｌｉｄ６５＋ｌｉｎｋ８），认为混凝土和钢筋粘结很好。　Ｓｏｌｉｄ　６５的本构关系采用了弹塑性——断裂本构关系，采用增量理论，钢筋混凝土破坏准则采用　Ｗｉｌｌａｍ＆Ｗａｒｎｋｅ五参数破坏准则，硬化法则采用等强硬化模型，由于工程结构不容许有很大的塑性变形，且　混凝土等材料的屈服点不够明确，但破坏点非常明确，在这里破坏准则和屈服准则认为是相同的。本文采　用Ｗｉｌｌａｍ＆Ｗａｍｋｅ提出五参数破坏准则表达式，即：　

＝　＝０ｏ＋０１　＋０２（　Ｏｍ）　＝０。（１）　。　：‘　。　…　

志　０＋　“ｚ‘　）２　０＝６０－　（２）　式中：ｒ　，ｒ　——平均剪应力；　——混凝土轴心抗压设计值；　盯　——平均正应力，盯　＝ｌｌ／３；ｌｌ——应力张量第一不变量。　’　Ｗｉｌｌａｍ＆Ｗａｒｎｋｅ的五参数由单轴抗拉强度，单轴、双轴抗压强度，围压下的双、单轴抗压强度决定。　等强硬化模型：　Ｆ（　，ｋ）＝Ｆ［　一　（￡；）］＝０　（３）　ｒ　作功硬化：　＝　Ｈ（Ｉ　ｄ　）＝Ｈ（Ｏ＇ｑ　：）　（４）　

Ｊ　２．３计算模型的建立　

１）　计算模型尺寸　坝底ｌ０．２４　１１１，平均底板厚度４．８　ｎｌ，坝长２０７　ｎｌ，坝内埋管中心　距１．４　ｍ，埋管离顶１．５６　ｎｌ。坝底板每１０　ｎｌ设一沉降缝。　２）有限元网格　

≥一穗　瑟露蕊－“瑟；　，‘ｔ■；　ｉ。珏翻嘲隰　．　囊　，　霪麓　南　图１弹塑性分析网格图　单元网格划分的原则是在应力变化梯度大的地方单元稍密，采用四面体单元，能较好地反映实际应力　变化情况，坝段间的沉降缝作自由边界处理。　

３成果整理及分析　在温差为ｌＯ℃下，有内水压力作用时钢管壁环向应力见表２。　表２钢管壁环向应力　

内水压力　钢材最大　管顶　管中　管侧　，管中，　，管底、　备注　（ＭＰａ）　应力（ＭＰａ）　（０＝９０。）　（０＝４５・）　（０＝０。）　（０＝３１５・）　（０＝２７０。）　

Ｏ．４　Ｏ．５ｌ　Ｏ．７ｌ　２．Ｏ　８．１　ｌ５．Ｏ　１８．３　２３．３　６２．２　３２０．４　ｌ５．Ｏ　１８．２　２３．２　６２．１　３２Ｏ．２　ｌ５．２　１８．３　２３．３　６２．２　３２０．４　１４．８　１７．９　２３．Ｏ　６２．Ｏ　３ｌ９　１４．６　１７．７　２２．８　６１．８　３ｌ８　

１４．４　ｌ７．５　２２．６　６１．６　３ｌ７　

砼弹性　砼弹性　砼弹性　砼弹性　砼塑性　第４期　谢海峰郭少华：橡胶坝充排水管材料选择及力学分析　８５　而ＵＰＶＣ管在内水压力０．４　ＭＰａ时就已超过其工作压力，承受压力的主要是混凝土。图２为埋管周围　混凝土环向应力分布。　从上可以看出，钢管单独承受最大内水压力达到　８．１　ＭＰａ，远大于实际最大内水压力０．５　ＭＰａ；而ＵＰＶＣ　与混凝土联合作用下，可承担２．３８　ＭＰａ内水压力，大于　其实际最大内水压力０．７１　ＭＰａ，计算表明ＵＰＶＣ替代无　缝钢管是可行。　

４　结语　对于管径小，管线长的混凝土坝埋管，采用硬质　ＰＶＣ管替代钢管作为混凝土坝的充排水管具有投资　少、施工便捷、防腐性能强等特点，但是这一成果缺乏　相应的规范，使其不能广泛应用，同时用硬质ＰＶＣ管替　代钢管作为混凝土坝的充排水管还有许多问题需要解　决，如适用管径范围，取消坝段间沉降缝处埋管的连接　结构等，有待进一步研究。　

‘　图２埋管周围混凝土环向应力分布（单位ＭＰａ）　参考文献　［１］ＳＬ２８１—２００３水电站压力钢管设计规范Ｉｓ］．北京：水利电力出版社，２００３　［２］伍鹤皋．马善定．坝内埋管极限状态设计方法［Ｊ］．水利学报．１９９８．３（３）：２６—２９　［３］董毓利．混凝土非线性学基础［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社　［４］　丁志华．邱惠清．新型管材与管件应用指南［Ｍ］．上海：同济大学出版社　［５］刘涛．杨风鹏．精通ＡＮＳＹＳ［Ｍ］．北京：清华大学出版社　

（上接第６７页）　加标量为０．５　ｍｇ，回收率在９６．３％～１０６．５％　

３　结论　离子色谱法和化学分析法的检测结果处于同一水平。化学法对浓度为１０．０　ｍｇ／Ｌ标样测得的相对误　差为一６．３％，离子色谱法对浓度５．０　ｍｇ／Ｌ标样测得的相对误差为一４．９％，离子色谱法的回收率也在最　佳范围，精密度好。说明离子色谱法准确可靠。　常规化学法测定氯化物含量是比较常用的经典的测定方法，仪器设备简单。但实验过程必须人工操　作，人工定量分析，样品需进行前处理。当样品多时，操作人员劳动强度大。特别是饮用水中氯化物含量　较低，滴定终点难以判断。　离子色谱法通过分离柱对各种阴离子的不同亲和度进行分离，可同时分析水中Ｆ、ＣＩ、ＮＯ　。、ＮＯ，‘、　Ｈ２ＰＯ　、ＳＯ，‘含量，离子色谱法可以通过微机工作软件进行定量和数据处理，操作简单，快速，特别适合大　批量样品测定。　

参考文献　［１］ＧＢ７４８８—８７生活饮用水标准检验方法［Ｓ］．北京：国家标准出版社，１９７８　［２］国家环境保持总局（水和废水监测分析方法》编委会．水和废水监测分析方法（第四版）［Ｍ］．北京：中国环境科学出版社，２０００，１２