往復荷載下管道承插式柔性接口力學性能試驗研究

李冠潮，韓 陽，任雪振

(河南工業大學 土木建筑學院，河南 鄭州 450001)

地下供水管網是城市基礎設施的重要組成部分，是保障人們生活水平的前提，一旦發生破壞將直接影響城市的正常運轉，對地下供水管網威脅最嚴重的當屬地震這種自然災害。歷次震害資料顯示[1]，管道的破壞形式主要包括接頭破壞、管體裂縫和管道與建筑物連接處運動相位不一致，其中接頭破壞是最為普遍的一種，例如唐山地震市區鑄鐵給水管道接頭處破壞高達79%。針對接頭破壞導致供水管網失效的反應機理，國內外專家學者做了大量研究工作及探討。

Wham.B.P.等[2-3]對常用膠圈接口和改進的接口進行了大變形下的軸向拉拔試驗和彎曲試驗對比研究，提出了接口滲漏僅與膠圈的應力分布有關，與加載路徑無關等觀點；尚慶學等[4]對消防卡箍接頭進行了抗震性能試驗，表明卡箍斷裂及水管被拔出是其主要破壞形式；韓陽等[5-6]對不同管徑的鑄鐵管進行了軸向拉拔及彎曲試驗，給出了接口處極限滲漏位移及管道被拔出的最大拉力值；周靜海等[7]對球墨鑄鐵管柔性接口進行了注水與不注水拉拔試驗，提出了管徑越大拉拔力越大抗震性能越好的結論；鐘紫蘭等[8]進行了承插式球墨鑄鐵管道接口的擬靜力軸向加載試驗，提出管道軸向抗拉強度受加載制度及內部水壓影響較小，且管口的最大拉伸位移受插口插入深度影響。上述試驗多以對管道接口原型拉拔試驗為主，球墨鑄鐵管柔性接口在往復荷載作用下的力學性能試驗研究還比較少見。管道接口在地震荷載作用下其受力狀態是復雜的，為更加貼近其真實的受荷情況，對管道接口處施加往復荷載的研究是非常有必要的。

本文通過對球墨鑄鐵管柔性接口施加往復荷載的試驗，得出DN150、DN200接口在往復荷載作用下的軸力—位移曲線，對比分析了加載速率及管徑大小的變化對接口處受力狀態的影響，同時揭示了兩種管徑隨軸向變形的能耗關系。

1 試驗概況

1.1 試驗裝置及試件

本試驗采用新興鑄管集團有限公司提供的DN150、DN200球墨鑄鐵管為研究對象，公稱直徑分別是150 mm、200 mm，兩根管均由盤承長管、盤插長管及密封膠圈三部分組成，試件總長度為3.1 m。試驗裝置主要由伺服電缸、反力架及承重支架組成，數據采集系統由自行研發的力—位移采集箱、拉壓力傳感器和伸縮式位移計組成，試驗裝置如圖1所示，試件以DN150為例。

圖1 試驗裝置圖

圖2 逐級往復加載制度

1.2 試驗方案

本試驗作動器采用位移控制的方式進行加載，加載方式為逐級往復加載，加載峰值分別是3 mm、6 mm、12 mm、24 mm、36 mm和50 mm，每個等級加載兩次，加載制度如圖2所示。由于本試驗主要研究管道接口處加載速率對接口處力學性能的影響，故試驗加載速率設置了三種，如表1所示。為保證試驗數據的準確性，每個速率做3次逐級往復加載試驗，共計18次，每做一次試驗更換新的密封橡膠圈以保證實驗條件完全相同。

表1 承插式球墨鑄鐵管接口逐級往復試驗工況表

2 結果與分析

2.1 逐級往復荷載作用下DN150結果分析

圖3為DN150球墨鑄鐵管柔性接口在逐級往復荷載作用下不同速率的滯回曲線圖。

圖3 DN150不同速率滯回曲線

從圖3可以看出：不同速率加載條件下球墨鑄鐵管柔性接口在逐級往復荷載作用下的軸力—位移曲線總體趨勢是基本一致的，都呈現類似于“撒網”狀的形式，每個加載等級的滯回環都呈梭形，飽滿且基本重合，表明膠圈自身的恢復力特性較好。不同的是軸向峰值拉力(拉力為上升段，推力為下降段)隨加載速率的增大而增大，首先拉拔力主要是由接口處膠圈與盤插長管外管壁之間相互作用的摩擦力及膠圈自身抵抗剪切變形共同作用得來的，當加載速率增大時膠圈阻礙插管被拔出所需要的摩擦力變大，導致軸向拉力上升。

2.2 逐級往復荷載作用下DN200結果分析

圖4為DN200球墨鑄鐵管柔性接口在逐級往復荷載作用下不同速率的滯回曲線圖。

圖4 DN200不同速率滯回曲線

從圖4可以看出：管徑為200 mm的球墨鑄鐵管在相同加載條件下軸力—位移曲線總趨勢基本和150 mm管道吻合，軸向峰值拉力同樣隨加載速率的增大而增大。

對比圖3和圖4可以發現：加載速率相同條件下隨著試件管徑的增大，軸向峰值拉力也越大，這是由于密封膠圈與管壁接觸面積增大導致摩擦力變大造成的，推力隨著軸向位移的減小而增大。兩種管徑的峰值位移基本都在25～30 mm(本文規定軸向峰值拉力對應的位移為軸向峰值位移)，當加載等級在30～40 mm時可以看出軸向拉力波動不大，40 mm后軸向拉力開始緩慢下降。不同加載速率所對應的軸向峰值拉力及所對應的峰值位移如表2所示。

表2 不同管徑不同加載速率下峰值拉力及峰值位移

2.3 不同管徑往復加載下承插式柔性接口的耗能能力

圖5 不同管徑相同加載速率下柔性接口耗能與位移關系對比

圖5為球墨鑄鐵管柔性接口不同管徑相同加載速率下耗能能力對比圖(黑色數據點代表DN150型，紅色數據點代表DN200型)。

從圖5可以看出：DN200每個加載速率所對應的滯回曲線面積比DN150型更大一些，這是由于管徑的增大使得密封膠圈與外管壁的接觸面積增多，阻礙盤插長管相對運動的摩擦力有所上升造成的。加載等級為3 mm、6 mm、12 mm時，兩種管徑滯回曲線面積基本重合，說明加載速率及管徑的改變對膠圈在0～12 mm變形內的能耗影響很微弱，當加載等級超過12 mm時能量消耗逐漸增大，加載速率越大耗能也越大且大管徑比小管徑的能耗更多。

3 結論

本文采用國內供水管網中常見的球墨鑄鐵管柔性接頭進行管道接口在往復荷載作用下的試驗研究，分析了不同管徑及不同加載速率對接口處力學性能的影響，得出以下結論：

(1) 管道柔性接口在不同加載速率逐級往復荷載作用下軸力—位移曲線趨勢相同，每個等級的滯回曲線基本重合，表明膠圈具有良好的力恢復特性，軸向峰值拉力隨加載速率的增大而增大，原因是加載速率變大導致摩擦力升高。

(2) 管徑的改變對峰值拉力有很大影響。管徑越大，膠圈與外管壁接觸面積越高，阻礙膠圈與盤插長管發生相對運動的摩擦力上升，峰值拉力隨之變大。管徑的改變并沒有直接影響峰值位移的活動區域，兩種管徑的軸向峰值位移基本穩定在29～32 mm。

(3) 通過origin軟件計算了兩種管徑每個等級第一次往復加載的滯回環面積，對比發現相同加載速率管徑越大能量消耗越大，但加載等級在3～12 mm內能量消耗無明顯波動。