新型水平柔性防水套管有限元分析

时间：2024-08-31

朱正国,徐永凯,罗冲,陈辉,张烽

(1. 淮安高新控股有限公司, 江苏淮安 22320;2. 淮安市博彦土木工程科学研究院有限公司, 江苏淮安 223003;3. 南京工程学院机械工程学院, 江苏南京 211167)

随着社会经济的快速发展和城市人口的不断增长,城市建筑的使用空间得到进一步扩展.在建筑物设计方面往往将管道集中设置,需要管道直接穿过楼面、屋面或墙面.在这种情况下,防水套管的安装便是保证排水工程质量最关键的技术之一.防水套管是一种管道穿墙管,按照不同的结构形式可分为柔性防水套管、刚性防水套管和刚性防水翼环三种类型[1].刚性防水套管常被用于地下室外墙和水池,对墙体的防水十分有利,但是对于穿墙后墙体两面的防水性能需要加强防护.

1 工艺原理

1.1 现有柔性防水套管

现有地下室混凝土外墙柔性穿墙套管采用外墙微嵌式结构[2],如图1所示,能利用柔性填缝材料的自密封性能进行防水密封,并通过法兰盘将密封圈充分压紧使其不易松动.该结构优点是便于后期的拆卸,但防水套管中段与穿墙管形成的腔体为中空,且其内未设置相应的密封材料,常规渗漏试验无法检测该段是否漏水;当该段空腔出现液体渗漏时,虽然不会迅速渗漏到墙体两侧,但是长时间浸泡依然会对墙体造成一定程度的损坏.除此之外,现有防水密封结构虽然能够实现较好的密封性,但是结构较为复杂、占用空间大、且均为一次性使用.

1. 穿墙管;2. 外螺母;3. 内螺母;4. 加劲板;5. 外墙;6. 止水环;7. 柔性填缝材料;8. 密封膏嵌缝;9. 橡胶垫;10. 螺杆;11. 外法兰盘;12. 内法兰盘;13. 短管;14. 密封圈;15. 内挡板;16. 柔性防水套管;17. 推板;18. 外挡板

1.2 新型柔性防水套管

为解决水平穿墙管道用防水套管工艺中存在的问题,将现有穿墙管结构进行改进,主要增加了止水环、密封堵件以及分体式的检漏腔等组件(如图2所示).新型柔性防水套管增加的检漏腔上设有用于检测空腔内是否渗漏的检漏管[3],渗漏试验时检漏管一端与检漏腔连通布置,另一端与高压水泵或灌浆泵相连.新型水平穿墙管道用防水套管的构造能够实现对套管本体与穿墙管道形成空腔内进行检漏,并可以根据检漏情况进行及时处理,对于未发生渗漏的安装部位,可以将检漏腔取下,进行再利用检测.该结构安全可靠,检漏方便,在无需破坏墙体和重新施工的前提下,能对防水套管部位进行检测,并对渗漏处进行补救,且可重复利用,节约施工成本.

① 套管本体;② 穿墙管道;③ 固定桩;④ 固定杆;⑤ 检漏腔;⑥ 堵头;⑦ 检漏管;⑧ 外墙翼板;⑨ 止水环;⑩ 内墙翼板; 圆柱段; 圆台段; 遇水膨胀材料; 固定胶; 连接柱; 紧固螺母; 连接翼板; 连接螺栓; 垫片; 连接铁片; 双螺母; 封堵塞

2 有限元结构力学分析

采用SolidWorks软件建立新旧防水管套组件的三维模型,如图3所示,两个对比模型选用相同的关键尺寸.将三维模型导入Ansys workbench软件,分别在新旧防水管套模型对应位置处施加固定约束、固连接触、摩擦接触,进行静力学分析、模态分析以及动力学分析.静力学分析重点关注新旧防水管套模型在相同外载荷作用下的变形、应力情况;模态分析重点对比新旧防水管套模型的固有频率,分析地震波引发组件共振的可能性;动力学分析重点关注新旧防水管套模型在同样外部激励下的振幅情况,以验证新型防水管套在抗震方面的优势.

2.1 静力学分析

为充分反映出新旧两种防水管套组件的支承性能和抗震性能,在管路两端设置固定约束,在防水管套组件上施加载荷.参考4级抗力的压力值,假定穿墙管处垂直指向墙面的压力为24 000 N.新旧两种防水管套支承的约束条件、静态变形及应力水平分别如图4、图5所示.

如图4所示,在给定条件下,新型防水套管组件的最大变形量为25.99 μm,最大变形出现在外墙翼板和套管本体,管件的最大变形量为23.9 μm;位于管件上的应力最大值为14.20 MPa;变形云图清晰地表明新型防水管套组件的整体变形量高度一致,应力分布较为均匀,说明新型防水管套组件较好地将外载荷分散在了整个组件上,应力集中现象不明显.

如图5所示,在给定条件下,传统防水套管组件的最大变形量为120 μm,最大变形出现在套管的端面,其中管件的最大变形量为39.2 μm;组件的应力最大值为33.99 MPa,位于套管的端面;由变形云图可见,传统防水管套组件的变形量各部分差异明显,组件的受力面上变形最大,组件的应力集中亦较为明显,主要集中在组件的受力面,说明传统防水管套组件未能较好地将外载荷分散,而是集中在了受力面附近.

(a) 新型防水套管

(b) 传统防水套管

图4 新型防水套管支承下的静力学分析

由静力学分析结果可知,在穿墙管处压力值相同的情况下,新型防水管套支承下的组件静力学变形及应力水平显著低于传统防水管套支承;新型防水管套组件能够较好地将载荷传递至组件各部分,从而降低应力集中,提高组件的可靠性.

图5 传统防水套管支承下的静力学分析

2.2 模态分析

采用与静力学分析相同的约束条件,在管路两端设置固定约束,在防水管套组件上施加载荷.参考4级抗力的压力值,假定穿墙管处垂直指向墙面的压力为24 000 N,对比防水套管组件的模态振型与前几阶固有频率.

如图6所示,新型防水套管在给定外载荷作用下的前六阶固有频率分别为192.36、193.68、217.59、227.96、242.90、248.17 Hz,其中,前两阶模态的振型以套管组件铅锤方向上的弯曲变形为主.

如图7所示,传统防水套管在给定外载荷作用下的前六阶固有频率分别为117.34、140.95、165.32、264.38、327.69、328.05 Hz,其中,第一阶模态的振型以套管组件铅锤方向上的弯曲变形为主,第二阶模态的振型以套管的扭转变形为主.

图6 新型防水套管模态振型及固有频率

图7 传统防水套管模态振型及固有频率

对比模态分析结果可知,在穿墙管处压力值相同的情况下,新型防水管套支承下的组件前三阶固有频率高于传动统水套管组件,有效地远离了低频地震波的激励频段.

2.3 动力学分析

采用与静力学分析相同的约束条件,在管路两端设置固定约束,在防水管套组件上施加载荷.假定受到10 Hz的地震波冲击,新旧两种不同防水管套支承下的管件动态响应如图8、图9所示.

由图8可见,在给定外部激励作用下,新型防水管套的振动位移在24.8 μm以内,频率成分以外载激励频率10 Hz及少量的二倍频为主.

由图9可见,在给定外部激励作用下,传统防水管套的振动位移在1.15～27.24 μm,频率成分以外载激励频率10 Hz及少量的二倍频为主.与新型防水套管相比,传统防水套管的振幅较高,且最小变形量也较高.

图8 新型防水管套支承

图9 传统防水管套支承

对比动态响应结果可知,在相同地震波的激励作用下,新型防水管套支承下的管件动态响应水平与变形量明显低于传统防水管套支承.

3 穿墙管道黏结力力学模型

穿墙管道黏结力力学分析模型如图10所示,假定同一截面上的穿墙管应力和同一截面四周的黏结应力分布均匀.黏结力包括浆液中水泥凝胶体与穿墙钢管表面的化学胶结力和界面间的摩擦力.穿墙管所受荷载是冲击波超压引起的动荷载,根据标准GB 50038—2019《人民防空地下室设计规范》[4],有：

S=γSPA

(1)

式中：S为冲击波在穿墙管与灌浆柱结合处作用的压力(N);γS为荷载分项系数,γS=1.0;A为穿墙管截面积(m2),A=πd2/4(d为穿墙管的外径(m));P为在穿墙管与灌浆柱结合处冲击波所作用的等效静压(MPa),P=KfKdΔPm(Kf为冲击波超压反射系数,Kd为动力系数,按不同的防护工程抗力等级取值,考虑最大受力,取Kd=1.33,ΔPm为地面冲击波峰值超压).

图10 穿墙管道黏结力力学分析模型

黏结力的计算公式为:

R=τW

(2)

式中：R为穿墙管与灌浆柱间的黏结力(N);τ为穿墙管与灌浆柱间的平均黏结强度,灌浆柱由普通水泥砂浆灌注,取τ=0.4 MPa;W为钢管与填料的黏结面积(m2),W=πdl(d为穿墙管外径(m),l为灌浆柱试件长度(m),本次试验取l=0.2 m).

根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)所提供的极限状态[5],设计力学分析表达式为：

γ0S≤R

(3)

式中:γ0为结构构件的重要性系数,γ0=1.0;S为荷载效应设计值,S=γSSk(γS为荷载分项系数,Sk为荷载效应的标准值);R为穿墙管与灌浆柱间的黏结力.

由表1中数据可见,穿墙管与灌浆柱间的黏结力比冲击波在管道穿墙构造处作用的压力大得多.因此,该构造在防护工程低抗力等级的冲击波超压作用下是安全的,穿墙管与灌浆柱间的黏结力完全可以抵抗冲击波压力荷载的作用,保证构造部位不发生强度破坏.

表1 穿墙管处压力值与黏结力对比 N