腐蝕管道非開挖修復中相關項管道強度評估和計算方法探討

張 軍 謝 莉 石東優 張 杰 曾張成

（重慶克那維環?？萍加邢薰?，重慶 401120）

0 引言

隨著城市建設規模的不斷擴大，排水管道的建設規模也在逐年增加。由于管網建設材質、施工質量問題，以及相應的配套法規、行政管理滯后，加之管道管理維護水平低下，造成雨污排水管道存在結構性和功能性缺陷[1-2]，容易引起路面塌陷，出現“城市看?！钡默F象，會給城市居民帶來不同程度的損失。

采非開挖修復技術對管道進行維修，施工面小、流程簡單、對環境影響小、施工費用低、工期短、修復強度高，可用于不同材質病害管道的修復，與開挖修復技術相比，應用更廣泛。本文開展了基于非開挖修復技術的腐蝕管道剩余強度評估、CIPP內襯管結構強度設計方法以及復合管道強度計算方法的探討，可為非開挖管道修復工程設計提供參考依據。

1 腐蝕管道剩余強度的評估及計算方法

1.1 腐蝕管道剩余強度的評估方法

剩余強度是原材料自身出現腐蝕損傷后所具有的極限承載能力。目前剩余強度評估方法有 RSTRENG（Remaining Strength of Corroded Pipe）[3]、修正的 B31G 準則、ASME B31G-2009/2012 標準、ASME B31G-1991 標準、有限元分析方法[4]、分項安全系數法[5]。剩余強度值是判斷運行管道的承載能力強弱，是管道設計及修復施工方案的重要參數。

1.2 腐蝕管道剩余強度的計算方法

目前，用于腐蝕管道剩余強度計算的方法主要有規范法[6]、斷裂力學半經驗公式法[7]、D-M 法[8]、彈塑性力學法[9]。

1.2.1 彈塑性力學法

對管道剩余強度的評估必須考慮復雜受力情況?；炷凉艿罏閺椝苄圆牧?，其剩余強度計算必須考慮原管道的彈塑性行為，采取彈塑性斷裂力學進行分析。將常用計算方法和彈塑性斷裂力學相結合，可得出在一定條件下管道極限工作壓力和腐蝕管道剩余強度的計算式。

若腐蝕管道在特定加載外力條件，根據彈塑性力學分析中的Tresca屈服準則有：

式中：

D——管道公稱內徑，mm；

tc——均勻腐蝕管道壁厚，mm；

μ——泊松比；

σs——軸向應力，MPa。

根據相關規范準則和彈塑性斷裂力學理論分析，在一定缺陷條件下，管道軸向及環向最大允許工作壓力Pmax。

圖1 混凝土管道管段受力圖

管道軸向許用工作壓力為：

管道環向許用工作壓力為：

管道的極限承載力：

式中：

Pmax——管道的極限承載力，MPa；

β——取值為1或2μ，μ為材料泊松比；

F——管道軸向載荷，kN。

1.2.2 D-M法

D-M法最早用于鋼管材質的油氣管道剩余強度的評估，順著該評估方法的不斷優化更新，評估范圍已經擴展到彈塑性材料混凝土管道剩余強度的評估，可以利用D-M模型進行剩余強度的計算。

根據D-M斷裂力學計算彈塑性斷裂失效管道的剩余強度為：

式中：

σp——軸向缺陷剩余強度，MPa；

δc——裂紋允許張開位移，mm；

E——彈性模量，MPa；

σs——材料的屈服應力，MPa；

M——鼓脹系數，無因次；

Nsafe——安全系數，無因次。

1.2.3 斷裂力學半經驗公式法

只考慮無壓排水管道內壁損傷情況下，根據斷裂力學理論，帶有環向缺陷的混凝土管線強度按B13G規范確定，失效管道的剩余強度σp為：

式中：

D——管道內徑，mm；

L——腐蝕缺陷長度，mm；

a——腐蝕缺陷深度，mm；

t——管道壁厚，mm；

σp——軸向缺陷剩余強度，MPa；

M——鼓脹系數，無因次；

Nsafe——安全系數，無因次；

?——修正系數，無因次；

σs——材料的屈服應力，MPa。

1.2.4 規范法

在排水管道中，地下（鋼筋）混凝土管道的剩余強度可根據規范法進行評估。目前，可根據混凝土工程結構設計規范及相關規定得出管道承載力和彎矩的計算式。

（1）管道極限彎矩計算式。

根據排水管道埋設深度、外部荷載，計算出排水管道承受的極限彎矩：

式中：

Mc——管壁上截面的彎矩設計值，kM?m；

Q——破壞載荷，kN/m；

GH——混凝土排水管管自重，kN；

Km1，Km1——管座支撐系數，無量綱；

R——圓管的計算半徑，m。

Q和K取值根據標準GB/T 11836-2009給出的混凝土管規格、外壓荷載和內水壓力檢驗指標表及支撐系數取值表。

（2）管道極限承載力計算式。

管道極限承載力計算式為：

式中：

Nc——管壁上截面的承載力設計值，MPa。

2 CIPP內襯管管道結構強度設計計算方法

目前，內襯管管道結構強度設計包括結構或半結構性設計，結合原管道勘查結果和現場的檢測評估報告，充分了解原管道的腐蝕情況，以及施工現場的水文地質條件和交通環境情況進行綜合考慮。

2.1 基于半結構性修復的強度設計計算

管道半結構性修復CIPP內襯管壁厚根據規范CJJT 210-2014給出的公式進行計算：

式中：

C——橢圓度折減因子；

t——內襯管的壁厚，mm；

P——地下水壓，MPa；

Dmin——原有舊管道的最小內徑，mm；

N——安全系數，取2.0；

q——原管道橢圓度，%；

D——原管道平均內徑，mm；

Dmax——原管道最大內徑，mm；

K——圓周支持率，取7.0；

EL——內襯管長期彈性模量，MPa，取短期彈性模量的1/2；

μ——泊松比，取0.3。

2.2 基于結構性修復的強度設計計算

管道結構性修復CIPP 內襯管壁厚根據規范CJJT 210-2014給出的公式進行計算：

式中：

qt——管道總的外部壓力，MPa；

Hw——管頂水位高度，m；

Rw——水浮力因子，取0.67；

Ws——動載荷，MPa；

H——管頂覆土厚度，m；

Pv——真空壓力，取0.05MPa；

W——土體重度，kN/m3；

I——內襯管的轉動慣量，mm4/mm；

B'——彈性支撐系數。

3 復合管道強度計算方法

針對運營管道只存在內腐蝕情況，原管道修復后，內襯管與原管道內壁緊密貼合，外部的土壓力，水壓力和動荷載由內襯管和原管道形成的復合管共同承擔。

根據彈塑性力學組合厚壁圓筒理論，對于原管道和內襯管復合層強度等于兩個管道獨立極限承載力之和：

3.1 復合管道軸向強度計算

假設原管道內壁發生均勻腐蝕，根據Tresca屈服準則，原管道軸向應力計算式：

內襯管與原管道間無縫隙或地下水壓力，未發生屈曲破壞，在外部荷載作用下共同發生梁彎曲，內襯管軸向應力計算式：

軸向復合管道環向極限承載力計算式：

3.2 復合管道環向強度計算

內襯管與原管道內壁緊密接觸，內襯管未發生屈曲破壞，原管道在外部周向壓力下產生彎曲應力，內部水壓引起內襯管環向應力。

內襯管環向應力計算式：

原管道剩余強度計算式：

復合管道環向極限承載力計算式：

式中：Pcrθ——復合管道環向極限承載力，MPa。

4 結束語

腐蝕管道采用非開挖修復技術具有施工便捷，操作簡單，環境影響小，費用低，修復周期短，與原管道緊密貼合，強度高，可用于多材質、多截面病害管道等優點。本文通過對非開挖修復技術應用時的腐蝕管道剩余強度評估方法和計算方法、CIPP內襯管道結構強度設計設計方法以及復合管道強度計算方法進行分析，為非開挖管道修復工程設計提供理論依據。