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摘要:我国的供热体系已经基本完善，供热范围被扩大的同时，供热水平也有所升高。基于现有的供热需要，很多城市都选用了集中供热的供热方法，为了使供热管道的安装工作可以更为顺利地开展，大部分施工人员都会选用直埋管道的施工方法。当供热管道与土壤接触之后，会产生一定的作用，为了使供热管道可以被更为顺利地使用，施工人员需要将直埋折角的数值确定好，本文借助模型分析法，对在这种情况下的直埋折角的基本强度确定方法加以研究。
关键词:管土接触作用；直埋折角；供热管道；强度；模型
开展供热管道施工工作时，施工人员需要根据具体的施工条件来选择埋设供热管道的方法，管道与土壤接触是较为常见的施工条件，这种施工条件会给埋设工作带来影响，同时在埋设空间之中，管道还需要对一些已有的障碍物进行躲避，改变管道的行进方向时，管道会出现弯折情况，施工人员需要将折角需要保持的强度控制好，本文对确定供热管道的具体折角的强度的相关工作情况进行分析。
1 建设单焊缝式折角计算模型
在对供热管道的线路进行研究时，研究人员对原有的管土同步研究工作进行了改变，逐渐提出了管土相互作用的理论。为了提升管道线路安排的合理性，技术人员会通过模拟数值的方法来完成研究活动，这种方法相对比较简单，其具有的适用性也比较强，在各种大型市政工程的技术准备阶段都可以被应用，与控制变量分析方法相比，具有实验投资成本相对较低的优势。
在供热直埋管道的研究环节之中，主要应用的是基于平面梁的新型土弹簧模型，这种模型可以将管土作用系统简化，对土壤给供热管道施加的侧向乏力加以模拟，在对管道材料进行模拟的时候，应用科学的线弹性模型。这种分析模型有如下特点，将材料默认成长期保持弹性状态，因此这种模型的一种劣势使没有对供热管道与土壤接触的状态以及产生的摩擦力纳入考虑。应用这几种模型分析方法可以帮助技术人员提升模型计算速度，将土体与管道之间的作用力重点突出，但是由于没有将土壤与管道之间的摩擦纳入考虑范围之中，使得最终计算结果更为安全，没有考虑到一些相对危险的埋设情况，无法将管道的所有应力状态全面地展现出来，管材的基本特性也没有充分体现出来。
为了对模型分析法的不足之处进行弥补，本次模型分析工作对原有的分析方法进行改进，应用了联合式的管土分析方法，建设了可以达到全面分析目的的联合式模型，借助特殊的双线性材料模型来对材料具有的弹塑性特点加以研究，使分析解构更为规范。
当供热管道在接触到地下障碍物需要被弯折处理时，技术人员可以应用小角度折角的分析方法，施工人员可以借助相对简单的方式完成管道布置工作，应用的工艺也比较简单。但是需要注意到，与大角度折角相比，小角度折角具有极为复杂的受力情况，在供热网络建设环节处于极难处理的部分。尤其是具有单焊缝的折角会给管道提出更为复杂的施工要求，管道也难以对应力条件有效满足，技术人员只能将补偿器装置安装到管线之中。
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2 模型设置方法分析
折角管体采用Ansys内建２０节点的SOLID９５实体单元，SOLID９５单元具有塑性、大应变等功能，可以详细表达出折角斜接处的应力集中状态。土体为四节点实体单元SOLID４５。管土接触视为面面接触，目标单元为TARGE１７０，接触单元选择CON‐TA１７４，管道外壁为目标面，接触单元覆盖于目标面对应的土体表面。管土摩擦类型为弹性库伦摩擦模型，该模型下接触面发生相互滑动之前称为黏合状态（sticking），接触面之间存在剪应力；当剪应力超过最大值时，接触面间发生相对滑动，称为滑动状态（sliding）。管土接触类型为法向单边接触，在该类型下接触分开时，法向压力等于０，此时接触面间的接触状态为分离（nearcontact）状态。该接触类型可以很好地体现出大角度折角条件下折角斜接处管土分离的空穴状态及隧道效应。
3研究成果分析
3.1 供热管道的具体尺寸
选取供热直埋管道常用规格在不同壁厚下的组合情况，得到折角管段最大Mises应力的变化规律。相同管径下，随管道壁厚增加，折角最大Mises 应力逐渐减小。相同壁厚条件下，管径越大，折角Mises应力越大。由变化趋势可知随着壁厚增大 ，同一管径下的最大 Mises 应力降幅变小。
3.2 折角结果
折角结构参数主要为折角角度，验证角度对折角最大Mises应力值的影响可以扩大小角度折角在实际工程中的应用范围，降低施工难度。研究折角最大Mises应力考虑１°～１０°这１０种常用夹角在DN３００～DN１０００下的应力值。折角角度小于４°时，折角最大Mises应力小于２倍屈服应力，不同管径下折角应力值相差较小；折角角度继续增大时，最大应力值位置由折角两臂移至内侧焊缝，呈现出应力集中现象，使折角破坏点出现在折角内侧焊缝，折角最大Mises应力值骤增１００MPa左右并超过２倍屈服应力。当所有管径下的最大Mises应力值随角度增加并大于２倍屈服应力时，因折角不满足材料安定性要求，焊缝处因破坏发生塑性形变释放部分应力，最大应力值变化趋缓，且大于２倍屈服应力时，管径越大折角应力越小。
3.3 载荷参数
锚固段小角度折角主要载荷为温度与内压载荷，折角最大Mises应力随循环温差的增大而增大，随管道内压增大而减小。循环温差越大，管道材料热膨胀越大，折角轴向压应力变大；管道内压越大，环向拉应力也就是泊松应力增大，使折角管段内轴向应力增大，焊缝处主应力σ１减小，最大应力值由折角焊缝转移至两臂近折角位置，这是折角与直管段截然不同的地方。当折角最大Mises应力小于２倍屈服应力时，折角处于弹塑性阶段，最大应力值随温度与内压变化接近线性关系；当最大Mises应力大于２倍屈服应力时，折角不满足安定性要求并发生塑性破坏。
4 结束语
完成本次模型分析工作之后，了解到改变供热管道的安装方向之后，管道形成的折角的Mises应力数值是不断变动的，且与折角的角度存在相互影响的关系，在确定相关管道应力数值的时候，需要对包括荷载、管径以及管道内壁厚度在内的多种因素加以考虑，使折角的可以保持安全的轻度，为了降低Mises应力数值，技术人员可以将折角位置的管壁厚度进行增加，增加的厚度需要控制在10mm以内，土壤摩擦系数与土壤的弹性模量也会对折角强度产生影响，因此在回填土的施工环节之中，施工人员需要改变原有的回填沙土的配比数值。
参考文献:
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论文作者:刘,冰
论文发表刊物:《防护工程》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/9
标签：应力论文; 管道论文; 模型论文; 角度论文; 方法论文; 状态论文; 塑性论文; 《防护工程》2017年第30期论文;