组合荷载下钢顶管的稳定性分析

在组合荷载工况模拟过程中，取管长5.5m为每节钢顶管基本管长，选取5.5m、10m、15m、50m、100m、200m、300m七种不同管长，研究在不同管长条件下钢顶管受力情况的变化。

在组合荷载工况模拟过程中，取壁厚0.034m为钢顶管基准壁厚，选取0.030m、0.032m、0.034m、0.036m四种不同壁厚，研究在不同壁厚条件下钢顶管受力情况的变化。

在组合荷载工况模拟过程中，取平均管径为3.6m。

在欧拉屈曲（Buckle分析步）计算中，管长≤50m时选用Lanczos法计算，管长≥100m时选用Subspace法计算。使用该分析步得到钢管可能发生的屈曲模态，取一阶模态变形值乘以0.01的比例因子作为钢管初始缺陷变形导入理想模型中，然后进行弹塑性分析。

均载轴压、均布围压和扭矩共同作用的组合工况，对钢管施加一端简支、一端径向位移约束边界条件，预先在管身施加270k Pa（地下埋深15m）、360k Pa（地下埋深20m）均匀围压，在径向位移约束端轴心处建立参考点，与管口节点建立随动耦合，在参考点施加1200k N·m（顶管机机头工作扭矩1061k N·m）、1600k N·m、2000k N·m扭矩，再在径向位移约束端管壁上直接施加均匀轴压，如图9-33所示。

在270k Pa围压和1200k N·m扭矩共同作用下，钢管均载轴压极限承载力是引入均载轴压一阶模态0.01倍变形作为初始缺陷的计算结果。由图9-33可知，钢管均载轴压极限承载力随管长增长而减小，随壁厚变厚而增大。钢管的全截面屈服理论值与短管（管长≤100m）比较接近，表明在这个长度范围内，钢管可能发生屈服破坏，即局部屈曲；长管（管长＞100m）的均载轴压极限承载力比钢管的全截面屈服理论值小得多，表明在这个长度范围内，钢管可能发生弹性失稳破坏，即整体屈曲。

图9-33 270k Pa围压+1200k N·m扭矩作用下钢管均载轴压极限承载力随管长变化

图9-34 270k Pa围压+1600k N·m扭矩作用下钢管均载轴压极限承载力随管长变化

在270k Pa围压和1600k N·m扭矩共同作用下，钢管均载轴压极限承载力是引入均载轴压一阶模态0.01倍变形作为初始缺陷的计算结果。由图9-34可知，钢管均载轴压极限承载力随管长增长而减小，随壁厚变厚而增大。钢管的全截面屈服理论值与短管（管长≤100m）比较接近，表明在这个长度范围内，钢管可能发生屈服破坏，即局部屈曲；长管（管长＞100m）的均载轴压极限承载力比钢管的全截面屈服理论值小得多，表明在这个长度范围内，钢管可能发生弹性失稳破坏，即整体屈曲。(www.xing528.com)

在270k Pa围压和2000k N·m扭矩共同作用下，钢管均载轴压极限承载力是引入均载轴压一阶模态0.01倍变形作为初始缺陷的计算结果。由图9-35可知，钢管均载轴压极限承载力随管长增长而减小，随壁厚变厚而增大。钢管的全截面屈服理论值与短管（管长≤100m）比较接近，表明在这个长度范围内，钢管可能发生屈服破坏，即局部屈曲；长管（管长＞100m）的均载轴压极限承载力比钢管的全截面屈服理论值小得多，表明在这个长度范围内，钢管可能发生弹性失稳破坏，即整体屈曲。

图9-35 270k Pa围压+2000k N·m扭矩作用下钢管均载轴压极限承载力随管长变化

此后对比360k Pa围压下三种扭矩工况，发现计算结果规律与270k Pa围压下三种扭矩工况相同，因此不再做详尽分析。

在围压和扭矩共同作用下，钢管均载轴压极限承载力是引入均载轴压一阶模态0.01倍变形作为初始缺陷的计算结果。钢管均载轴压极限承载力随均匀围压的增大而增大，随扭矩的增大而有所降低。由于所加载的扭矩值远低于钢管受扭的极限承载力值，故计算结果中，扭矩对钢管均载轴压极限承载力影响不大。整体失稳形态与前面两荷载组合的短管、长管典型失稳形态相同。

综上所述，将以上五种工况列表（表9-12），便于各荷载工况比较查对。

表9-12 荷载工况设计参考结果

管长减小、壁厚增大、均布围压作用均有助于提高钢管的极限承载力；而扭矩作用则减小钢管的极限承载力，且均布围压越大，钢管的极限承载力提高越大，扭矩越大，钢管的极限承载力下降越大。对本次所研究，以平均直径3.6m为基础的钢顶管，每节钢顶管管长为5.5m时受力条件最优，此时壁厚≥0.032m。