耐地面变形的球墨铸铁管道接头在依次进行预弯曲和轴向拉伸作用下的力学行为

《Engineering Structures》：Mechanical behaviour of a ground deformation-resistant ductile iron pipeline joint under sequential pre-bending and axial pull-out

　　

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  全尺寸双轴试验量化了受约束的钟形接头-塞头接头的响应特性。
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  DFOS（连续变形光学系统）获取了连续的应变数据，并确定了弯曲到拉伸的转变点。
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  9点位置的锁定段达到了171千磅的载荷，而12点位置的锁定段仅为145千磅。
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  在双轴载荷下，裂纹路径显著受到橡胶条方向的影响。
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  双轴拔出阻力降至纯轴向能力的约70%。

引言

地下水管线路是至关重要的基础设施，其在地震中的失效可能会中断供水、消防和灾后恢复工作。历史上多次地震都记录了埋设的水分配系统所遭受的地震破坏，包括1994年的北岭地震[1]、1995年的神户地震[2]、1999年的土耳其地震[3]、2008年的汶川地震[4]、2011年的基督城地震[5]、2016年的熊本地震[6]以及2023年的土耳其地震[7]。地震后的调查显示，永久性的地面变形（PGD），包括断层破裂、液化引起的横向扩展和滑坡，是导致管道损坏的主要原因。在分段系统中，这种损坏通常集中在接头处，因为相对地面运动通过轴向滑动和变形来适应。

对于受到PGD影响的分段管道，[8]、[9]、[10]、[11]、[12]指出，轴向拔出伴随着接头处的角度变形是其特征性的变形需求。这两个分量可能同时发生，也可能依次发生，这取决于地面运动的方向和土壤的约束情况。特别是当轴向拔出发生在较大的变形之后时，由此产生的非均匀接触和改变的约束机制会改变载荷传递路径。因此，不能仅通过独立测量轴向和弯曲能力来研究拔出阻力。

之前的实验研究已经确定了各种管道连接的变形能力。研究显示，在轴向载荷和四点弯曲条件下，焊接搭接接头的变形能力受到焊接接头柔韧性限制。[14]的研究同样指出，法兰接头在弯曲和内部压力作用下的变形能力有限。对于球墨铸铁（DI）推接接头，[15]将轴向位移和接头变形与金属结合和泄漏联系起来，这些现象发生在较大的地面变形情况下。在管道系统层面，[16]、[17]证明，受约束的轴向滑动接头能够适应比推接接头和传统受约束接头大2到9倍的断层位移。这些发现解释了在抗震管道系统中越来越多地使用受约束轴向滑动接头的原因。然而，许多现代受约束接头的机械性能评估也主要依赖于独立的轴向和弯曲试验。[18]在单独的实验中测试了6英寸（150毫米）的受约束iPVC接头在直接拉伸和四点弯曲条件下的性能。Wham [19] 使用相同的两种独立加载条件研究了Bionax PVCO管道中的两种约束配置，而[20] 通过对四种商用6英寸（152毫米）DI接头进行轴向拉伸和弯曲试验对其进行了表征。

这些研究确定了受约束管道接头的独立轴向和变形能力以及力-位移和力-位移关系。然而，目前尚不清楚之前的变形如何改变非均匀接触状态、约束机制以及随后的拔出响应。此外，早期的全尺寸实验主要依赖于在选定位置安装的离散应变计。尽管这些传感器适合测量管道的整体响应，但可能无法捕捉沿管道和接头区域的空间连续性和周向不均匀的应变分布。同样，管道规模的数值模型通常使用等效弹簧、梁或壳单元以及规定的力-位移关系来表示接头[20]。这些方法在系统级分析中计算效率高，但无法明确解决控制接头约束机制的三维接触相互作用。

本研究直接基于[21]的工作，该研究在同一8英寸（203毫米）TR-XTREME?受约束的钟形接头-塞头DI接头上进行了独立的直接拉伸和四点弯曲加载实验，并开发了一个三维连续接触模型。在本研究中，两种具有不同锁定段方向的全尺寸接头管件依次经历了预弯曲和轴向拔出测试。DFOS提供了连续的纵向和周向应变场，而三维接触模型被扩展到顺序加载路径，并根据测量结果进行了验证，用以研究预弯曲角度对后续拔出响应的影响。这些见解可以为接头设计和安装策略提供依据，并为未来系统级土-管相互作用模型中制定载荷路径依赖的接头关系提供实验和机制基础。此外，DFOS的测量结果为解释来自埋设的接头管件的未来现场监测数据提供了受控制的实验室基线应变特征。

章节摘录

球墨铸铁管件

测试了两种8英寸（203毫米）TR-XTREME?受约束的钟形接头-塞头球墨铸铁（DI）管件。详细的接头组件和尺寸见[22]。管件的名义直径为8英寸（203毫米），壁厚约为0.3英寸（7.6毫米），而钟形部分的外径约为12英寸（305毫米），长度为10.5英寸（267毫米）。该接头提供了大约2.9英寸（74毫米）的总轴向移动。

弯曲力矩和接头变形响应

图7显示了受约束的钟形接头在压下阶段的机械响应，图8展示了相应的FE模拟结果。根据接头内部接触的变化，两个试件的响应可以分为两个不同的阶段。

第一阶段：初始弯曲，此时力矩变化可以忽略不计

轴向拔出力和轴向位移响应

完成预弯曲步骤后，接头内部被加压，然后在其保持8.36°的接头变形的情况下进行轴向拔出测试。图11中的轴向力-位移响应和图14中的压力-位移响应表明，拔出行为可以分为两个阶段：首先是滑动阶段（第三阶段），随后是在锁定系统完全接合后的锁定阶段（第四阶段）。

第三阶段：完全锁定前的轴向滑动

拔出阻力的机制解释

数值结果显示，顺序加载下的拔出阻力与纯轴向拉伸下的阻力有根本不同，因为预弯曲改变了轴向打开开始之前的接头接触状态。如图23所示，总轴向阻力可以解释为几何保持力和接触诱导摩擦的轴向分量的总和：$$F_{\mathit{fric},x}=\mu \left(N_{},+,N_{}\right)\mathit{Cos}\alpha$$$$F_{\mathit{fric},x}=\mu \left(N_{},+,N_{}\right)\mathit{Cos}\alpha$$$$F_{}\mathrm{res}$$$F_{}$表示总轴向阻力，F表示焊缝提供的保持力

结论

本研究调查了8英寸（203毫米）受约束的钟形接头-塞头DI接头在顺序预弯曲和轴向拔出作用下的载荷路径依赖行为。通过两次全尺寸试验、连续的DFOS测量以及一个与实验结果进行对比的三维接触模型，确定了之前的接头变形和锁定段方向如何影响拔出阻力、应变局部化和失效。主要研究结果总结如下：

CRediT作者贡献声明

Qinglai Zhang：撰写——原始草稿、可视化、软件开发、方法论、概念化。Shih-Hung Chiu：撰写——审稿与编辑、可视化、方法论、数据整理、概念化。Tianchen Xu：撰写——审稿与编辑、研究、概念化。Kenichi Soga：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。Shakhzod Takhirov：验证、方法论。Jeff Mason：验证、资源提供，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能与本文所述工作产生影响的财务利益或个人关系。

致谢

东湾市政公用事业区（EBMUD）为该项目提供了资金支持，U.S. Pipe公司提供了用于实验的管道。第一作者还从爱尔兰科学基金会获得了未来前沿计划（授权号：21/FFP-P/10090）的研究资助，用于她的建模工作和会议参加。

Qinglai Zhang|Shih-Hung Chiu|Tianchen Xu|Kenichi Soga|Shakhzod Takhirov|Jeff Mason|David Katzev|Zili Li