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隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展，管道工程的應(yīng)用范圍越來越廣泛。埋地管道建設(shè)工程當(dāng)中，難免由于管道輸送距離長，鋪設(shè)時預(yù)留的分支管道接不合適等原因，需要進(jìn)行支路、主管道的改造和建設(shè)。為避免對人們的生產(chǎn)和生活造成影響，就要在主管道帶壓正常運(yùn)行的情況下開孔施工。
由于埋地管道使用介質(zhì)、工作狀況特殊，開孔位置在開孔施工及運(yùn)行過程中的安全性能越來越引起人們的關(guān)心和重視。因此，對開孔一連接器結(jié)構(gòu)在載荷作用下的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行有限元分析，可以為管道開孔工程的安全保證提供有力的理論依據(jù)。
將壓力管道帶壓開孔專用連接器簡化為三通結(jié)構(gòu)。根據(jù)管道實(shí)際連接情況及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，取結(jié)構(gòu)的1/2建立有限元模型，采用三維殼單元建模。對有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分方法，是在主管開孔區(qū)域適當(dāng)增加單元密度，距離開孔區(qū)域較遠(yuǎn)的端部，網(wǎng)格劃分相對稀疏。
根據(jù)埋地壓力管道的特點(diǎn)，載荷主要考慮內(nèi)壓、管道及連接器的重量、施工時動力頭的重量、垂直上壓力及地面車載。施加載荷時，在模型對稱面上施加對稱約束。主管兩端約束根據(jù)地基的硬度、回填上夯實(shí)程度等因素，分別按兩端所有節(jié)點(diǎn)完全約束、部分節(jié)點(diǎn)完全約束、部分節(jié)點(diǎn)部分約束及一端全約束一端部分約束、全部節(jié)點(diǎn)部分約束5種情況進(jìn)行討論。
建模尺寸采用施工時開挖工作坑的長度3.3m，然后對有限元模型施加不同的約束及載荷，討論在相同的約束條件下，不同載荷對埋地管道地基凹陷時的影響程度，這樣可以在工程實(shí)踐中指導(dǎo)操作，使管道應(yīng)力控制在要求范圍內(nèi)，確保管道安全運(yùn)行。
對于基礎(chǔ)相對剛硬的懸跨管道，可以近似采用兩端嵌固縱橫彎曲模型，即對管道兩端進(jìn)行全約束，就是將管道兩端所有節(jié)點(diǎn)施加6個約束。
(1)開挖工作坑進(jìn)行帶壓開孔接管操作時，對管道及連接器施加的載荷大小為：
管道內(nèi)壓：P=300kPa
動力頭重力：P,=2kN
連接器重力：P,=2.8kN
(2)管道及連接器總體應(yīng)力的分布情況
由于結(jié)構(gòu)及載荷的對稱性，管道及連接器的應(yīng)力分布是對稱的。最大應(yīng)力出現(xiàn)在管道開孔前方，其附近區(qū)域及開孔肩部屬于危險點(diǎn)。
工藝管上端也屬于危險點(diǎn)，由于施工時要用動力頭實(shí)施鉆孔，動力頭木身有一定的重量，再加上動力作用，因此在工藝管端部需采取一定的措施，比如增大受力面積、操作平穩(wěn)減小動力等。
應(yīng)力最小值出現(xiàn)在管道跨中的下半部位、跨中與懸空段起始位置的中間部分及連接器工藝管的中間部位。因此，在施工的時候，開孔位置要選在應(yīng)力值最小的這個區(qū)域。
根據(jù)建模時所采用的工況，由ANSYS分析結(jié)果，證明DN300的管道帶壓開孔4240施工時是安全的。
管道新開支路后正常運(yùn)行，當(dāng)?shù)鼗捎诟鞣N原因發(fā)生凹陷時，管道上就會承受上部垂直上壓力及地面車載。為了分析上壓力與車載的影響程度，對管道分步施加載荷。
(1)管道所受載荷大小為：
管道內(nèi)壓：P=300kPa
連接器重力：P,=2.8kN
垂直上壓力：Q=25kN/m
地面車載：P= 37.33kN/m
(2)管道只承受上壓力時。當(dāng)管道只承受均布上壓力時，應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在管道開孔截面的前方處，并且從最大值處逐漸向中間延伸縮小。應(yīng)力最小值出現(xiàn)在工藝管的中上部，以及跨中與管道懸空起始處之間部分的上下管面。
(3)管道只承受地面車載時。地面車載按照擴(kuò)散角理論得出，作用在4m范圍內(nèi)以均布載荷計(jì)算。如果管道在這4m范圍之內(nèi)，作用結(jié)果與均布上壓力一樣，因此這里討論的地面車載是在管道的一端(右半部分)。
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