基于有限元法的GRP加筋管在外压作用下的参数影响研究

基于有限元法的GRP加筋管在外压作用下的参数影响研究

武立强1王立明2周巾棋3

辽水水利工程管理（盘锦）有限责任公司   辽水水利工程管理（盘锦）有限责任公司 辽宁省水利勘测设计研究院有限责任公司

摘要：GRP加筋管由于在管壁外采用了加强筋，可提高其抗变形能力，但是由于结构形式的改变，其受力特征与加强筋的高度、宽度、间距等设计参数均有一定的关系。本文采用有限元方法对GRP加筋管在埋设条件的外土压作用下的变形与应力进行分析，研究了不同设计参数对GRP加筋管道变形及应力分布的影响，得到了加强筋高度、加强筋宽度、加强筋间距、管壁厚度及覆土深度等对GRP管道在外压作用下的变形及应力分布的影响规律。在此基础上指出了GRP加筋管在设计中应当注意的事项，对GRP加筋管的设计具有指导意义。

关键词：GRP加筋管；有限元法；外压；变形分析；应力分析

1. 引言

玻璃钢（GRP）管道由于其具有轻质高强、耐腐蚀性优异、水力性能好等显著优势，在给排水管道工程中得到较为广泛的应用[1,2]。但是GRP管道由于自身材料的弹性模量相对较低，环刚度低，在外土压的作用下容易出现较大变形。为了提高GRP管道的环刚度，可采用在管道外壁间隔一定的距离设置加强筋，形成了新的GRP加筋管道类别。加强筋的出现，可以显著提高管道的等效环刚度，增加管道的抗变形能力。但是由于加强筋改变了原有管道的结构形式，使其受力和应力分析均发生了一定的改变，尤其是加强筋的高度、宽度、间距等参数也会对受力变形带来一定的影响，相关影响规律还不是很明确。GRP加筋管的研究还比较有限，程雄飞[3]、程艾琳[4]等主要研究了加筋管的环刚度，没有涉及变形、应力等问题。

本文采用有限元方法，对GRP加筋管在外压作用下的变形和应力分布进行分析，重点研究不同参数对变形与应力的影响。

2. 有限元分析模型

为了对埋地管道在土压作用下的应力进行数值模拟分析，使用商业有限元软件ANSYS建立了GRP加筋管和土的有限元模型如图1所示，土、管壁和加强筋均采用8节点实体单元SOLID185模拟。为了简化分析提高计算效率，管道和土单元以及管壁和加强筋的单元在交界处以共节点方式连接。GRP管壁和加强筋均为横观各向同性材料，土按照各向同性线弹性考虑，材料性能参数如表1所示，其中Ex为径向弹性模量，Ey为环向弹性模量，Ez为轴向弹性模量，ν和G分别为泊松比和剪切模量，且假设三个方向泊松比和剪切模量相等，ρ为密度。

为了模拟GRP加筋管埋地后受土压的工况，在有限元模型中，管顶覆土为4000 mm，管左右覆土为2000 mm，管底垫层土厚度为300 mm。模型的加载和约束条件如图2所示，采用全场施加竖直向上重力加速度的方式施加土的自重。

不同于传统GRP管道，GRP加筋管道由于加强筋的存在其力学性能会受到加强筋参数的影响，为了分析不同加强筋参数对管道受力性能的影响，采用控制变量法建立如表2所示参数的有限元模型进行分析。

3. 有限元分析结果
   1. 管道几何参数影响
      1. 管道壁厚对力学性能的影响

模型结构几何参数中，仅管壁厚度不同，对比以上模型的应力云图可得管壁厚度对应力的影响。结果表明：管壁厚度增加会减小变形，但是会增加最大环向应力和最大轴向应力；管壁厚度从17mm增加到32mm，管径变化量减小了14.5%，最大环向应力和最大轴向应力分别增加了10.7%和8.51%。

1.1.2.加强筋宽度对力学性能的影响

模型结构几何参数中，加强筋宽度不同，模型1除了不包含加强筋，其他参数均与模型2~5相同，对比以上模型的应力云图可得加强筋宽度对应力的影响，见表5。结果表明：管径变化量随着加筋宽度的增加逐渐减小，加筋宽度从0（非加筋）到125mm，管径变化量减小了18.9%；最大环向应力和最大轴向应力均在从非加筋到加筋时出现大幅增加，增幅分别达到172%和146%，然后随着加筋宽度的增加呈减小趋势；加筋宽度从50mm到125mm，最大环向应力和最大轴向应力分别减小了16.4%和42.9%。

1.1.3.加强筋高度对力学性能的影响

模型结构几何参数中，仅加强筋高度不同，除了不包含加强筋，对比以上模型的应力云图可得加强筋高度对应力的影响。结果表明：管径变化量随着加筋高度的增加逐渐减小，加筋高度从0（非加筋）到125mm，管径变化量减小了22.16%；最大环向应力和最大轴向应力均随着加筋高度的增加呈显著增大趋势；最大环向应力和最大轴向应力在从非加筋到加筋时的增幅分别为128%和26.8%，此时对最大环向应力的影响远大于对最大轴向应力的影响；加筋高度从40mm到70mm，最大环向应力和最大轴向应力分别增加了10.7%和59.1%，此时对最大环向应力的影响小于对最大轴向应力的影响。

1.1.4.加强筋间距对力学性能的影响

模型结构几何参数中，仅加强筋高度不同，对比以上模型的应力云图可得加强筋间距对应力的影响。结果表明：管径变化量随着加筋高度的增加逐渐增大，加筋间距从

500mm到无穷大（非加筋），管径变化量增加了27.9%；最大环向应力随着加筋间距从500mm增加到2000mm的过程中呈增大趋势，总计增加了14.6%，但从2000mm到无穷大（非加筋）时发生骤减，减少了60.3%；最大轴向应力随着加筋间距的增加呈减小趋势，从500mm增加到2000mm的过程中总计减小了12.6%，但从2000mm到无穷大（非加筋）时减少了32.1%。

3.2.覆土深度对力学性能的影响

管顶覆土深度对管径变化量和应力的影响见表9。结果表明：随着管顶覆土深度的增加，管径变化量、最大环向应力和最大轴向应力均呈显著增大趋势，且基本与覆土深度呈线性关系。

4. 结论

通过采用有限元分析的方法对GRP加筋管在外土压作用下的应力进行了分析，研究得到了加强筋宽度、加强筋高度、加强筋间距、管壁厚度及覆土深度等对GRP加筋管的变形和应力的影响规律。主要结论如下：

（1）相对于非加筋管道，加筋后将会导致管道的径向变形减小，但会导致管道的最大环向应力和最大轴向应力大幅增加，尤其是最大环向应力的影响尤为显著，在设计时必须要引起重视，提高管道的环向强度和轴向强度；

（2）加强筋间距增加将会导致径向变形和最大环向应力增加，但最大轴向应力会减小，设计时需要综合考虑；加强筋宽度增加将会导致径向变形、最大环向应力和最大轴向应力均发生减小，尤其是最大轴向应力显著减小，在设计中应适当增加加强筋宽度；加强筋高度增加将较大幅度的减小径向变形，但是也会大幅增加最大环向应力和最大轴向应力，尤其是对最大轴向应力有非常显著影响，在设计中应适当控制加强筋高度。

（3）在一定范围内增加管壁厚度可以减小径向变形量，但是最大环向应力和最大轴向会有一定的增加；径向变形量、最大环向应力和最大轴向应力随覆土深度的增加基本呈线性增加。

以上结论对GRP加筋管的设计具有一定的指导意义。

参考文献

[1]陈建中. 复合材料缠绕制品发展情况报告[J]. 玻璃钢/复合材料, 2012(03): 94-96.

[2]李卓球, 岳红军. 玻璃钢管道与容器[M]. 北京: 科学出版社, 1990: 28-289．

[3]程雄飞, 陈建中, 崔友国, 等. 玻璃钢加筋管环刚度的有限元优化设计[J]. 玻璃钢/复合材料, 2015(11): 30-33.

[4]程艾琳, 张国军, 杨大伟. 加筋玻璃钢管道的环刚度分析[J]. 玻璃钢/复合材料, 2015(02): 72-74.

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