当今,地下管道在多行业得到了广泛的应用,被形象地称为“生命线”工程^[1]。然而,这些“生命线”工程在地震作用下,极易造成大量的破坏,并产生多种严重的次生灾害,给人民生活和生命财产安全带来严重危害。多次震害表明,地下埋设管道的破坏大多数发生在管道接口处,如果不考虑管材的腐蚀因素,与管道本身的强度相比,接口处则是管道破坏的薄弱环节^[2]。

　　 球墨铸铁管被广泛应用于给排水工程中,其胶圈柔性接口具有一定的伸缩能力和角变位能力,能较好地吸收地震能量,适应于基础的不均匀沉降^[3]。国内外学者们对球墨铸铁管进行了一些试验研究^[4~7],然而这些研究以接口的轴向拉拔试验居多,而对接口的弯曲试验研究相对较少。

　　 本文通过静载试验对承插式球墨铸铁管的胶圈柔性接口进行弯曲试验,以期发现管道接口处的弯曲受力破坏模式,为埋地管线柔性接口的抗震理论分析和设计提供相关数据和基础参数。

　　 本试验采用DN150、DN200和DN300的球墨铸铁管标准足尺管件,接口形式均为T型胶圈柔性连接,对其接口处进行横向荷载作用下的弯曲试验。对标准长度为6m的球墨铸铁管进行加工制作,因本试验仅考虑接口的力学性能,结合现有试验条件,试验管件设计装配总长为3m。试验采用自行研制的管道试验反力架,液压千斤顶加载,电阻式应变仪采集接口处位移,试验数据通过TS3866 静态电阻应变仪连接PC机进行采集。试验装置如图1 所示。试验管件及规格如表1所示。

　　 为观察管道接口在弯曲作用下的工作性能,同时考虑市政供水的基本水压,整个试验过程中管道内部水压均恒定为0.2MPa。考虑到试验结果的离散性,故对3种管径的管道共进行了9次弯曲试验。本试验方案采用横向加载方式,在试验前,通过调整可升降滚轮的位置,并用水准仪进行观察调整,使管道接口处达到平衡状态,即跨中接口在未受外力作用时,弯矩及变形均为零,且整个管道处于同一水平线。

　　 试验采用匀速加载方式,位移达到最大值后,稳定内部水压和荷载,使胶圈充分变形受力。 然后缓慢卸载,直至荷载和水压为零,并继续对接口位移回弹量进行采集,观察接口的弯曲变形和渗漏水情况。

　　 试验发现柔性接口管道在横向荷载作用下,极易发生弯曲变形,力通常加载到6~8kN时弯曲已达到极限。在最大弯矩情况下,维持管道内外荷载不变,使其内部胶圈充分受力变形,然而所有试验中,管道接口处均未出现漏水、渗水现象,充分说明了球墨铸铁管柔性接口的优越性。在缓慢去掉横向荷载和内部水压的同时,管道弯曲接口迅速发生回弹,约10mm后开始缓慢回弹。试验结束后,接口处胶圈大多都没有明显的残余变形,个别变形较大的胶圈在放置24h后仍能恢复其原有形状,这也充分说明了胶圈橡胶材料具有良好弹性,也表明了球墨铸铁管道柔性接口在撤除横向荷载后具有一定的自我恢复能力。

　　 对每组管径的3次试验数据求其平均值,分别绘制出3种管径柔性接口的力-位移以及弯矩-转角关系曲线,如图2、图3所示。

　　 通过图2、图3 可以看出,接口位移曲线与转角曲线趋势基本相同。力与位移成明显的非线性增长关系;在卸掉荷载过程中,接口位移能迅速回弹10mm左右;且随后在完全卸掉荷载后,接口位移仍能缓慢回弹15~20 mm。所有曲线斜率均是由小慢慢变大,说明接口弯曲刚度不断变大。 这是因为球墨铸铁管道承口和插口之间存有设计间隙,嵌入胶圈进行柔性连接。 在弯曲变形初始阶段,即在接口弯曲小范围内,承口和插口的铸铁管材没有接触,接口处弯曲变形完全依赖于对胶圈的挤压和相对应的摩擦力,故刚度较小。 随着弯曲变形的不断增大,当管道承口与插口发生接触后,对继续发生的接口变形产生干涉,故接口转角刚度则迅速变大。

　　 从3种管径的弯矩-转角曲线图中,可以明显看出接口转角在4°左右斜率突然变大,说明此时承插口金属管材发生干涉,产生较大的应力。故接口转角在4°以后将增大接口破坏概率,而4°以前的接口变形主要依赖于胶圈的压缩性能,则显得相对安全。另外,还可以看出直径越小,所能承受的弯矩越小而转角则相对较大。上述研究表明柔性接口的弯曲能力主要取决于承插口之间所设计的几何间隙和连接胶圈的性能。

　　 对于采用橡胶圈接头的球墨铸铁管道来说,可视其管体为柔性连接的刚性段。通过试验曲线也可以明显看出,球墨铸铁管胶圈柔性接口在试验条件下得到最大可能的转角之后,卸掉其内外荷载,在胶圈的反弹作用下,接口转角会快速回弹,直至最后趋于稳定。通过试验,对3种管径的最终回弹率进行统计(见图4),可知管径越大,回弹率越大,也即较大的管径对管道接口转角的自我恢复力较好。

　　 数学模型的建立需要对试验数据进行整理拟合,本文基于最小二乘法原理,利用MATLAB中的cftool工具箱对上述试验数据进行数值拟合。在数据拟合的过程中,拟合出的函数式不可能全部通过拟合点,为了判断拟合函数式的好坏,借助于残差SSE和相关系数R进行分析,残差越小,相关系数越接近1,则拟合的效果越好。

　　 通过对各组试验数据点整体分布特征进行分析,并依据数学模型中的各经验函数的曲线规律,选取Exponential函数对DN150和DN200管径进行拟合,选Polynomial函数对DN300 管径进行数值拟合。拟合结果如表2所示。

　　 从拟合结果可以看出,3种管径的拟合结果残差都较小,且相关系数也基本都接近于1,说明拟合结果较好。因此,本文所选用的拟合模型均可作为管道接口处的弯曲力学模型,且拟合形式简单实用,适合于实际工程。

　　 (1)通过接口弯曲试验可以看出,球墨铸铁管柔性接口弯矩-转角之间成明显的非线性关系,且接口弯曲刚度逐渐变大。

　　 (2)柔性接口在弯曲作用下的变形范围,很大程度上依赖于所设计接头的几何间隙。当接头转角超过4°时,插口与承口的金属管材就会产生接触,增大接口破坏概率。

　　 (3)试验证实了球墨铸铁管胶圈柔性接口的设计合理性,并证实了橡胶圈质量直接影响管道柔性接口的工作性能。

　　 (4)试验观察到,柔性接口的铸铁管道在导致弯曲变形的外力撤出后,具有一定的接口自我恢复能力。

　　 (5)利用MATLAB工具箱对试验数据进行分析拟合,建立接口处的弯矩-转角力学模型,与试验数据相比,误差较小,具有一定的应用价值。