基于有限条法屈曲分析的钢顶管设计
摘要
在实践中，钢顶管可视为主要承受轴向压力的薄壁圆柱壳。并且钢顶管周围的土壤，通常是被简化和建模成弹性地基。本文主要通过有限条法（FSM）研究基于Pasternak地基和轴向压力作用下钢顶管的弹性屈曲行为。在刚度矩阵中通过应变能来考虑弹性地基，并且通过FSM中的级数函数来模拟纵向变形。本文通过对参数的研究来分析埋入不同弹性地基中钢顶管圆柱壳的屈曲行为。结果表明Pasternak地基更有利于防止轴向压力作用下圆柱壳的屈曲。研究得到了屈曲荷载的临界值和下限值。这为钢管顶管的优化设计提供了依据。最后，本文结合钢顶管施工中的屈曲事故进行了实例分析。通过对轴向压力作用下的地下埋置钢顶管圆柱壳的屈曲分析来为钢顶管施工提供指导。
关键字：屈曲设计、钢顶管、圆柱壳、压力、弹性地基、有限条法
1.引言
由于具有高强度、高塑性（变形性能好）、良好的自封闭性、造价低等优点，钢管越来越多地用于地下管线工程。顶管技术是通过液压千斤顶从始发井到接收井顶升管节来安装管线，如图1所示。为了满足日益增长的基础设施建设的需求，管线的结构尺寸（如直径和长度等）不断增加，在一些新建工程中钢顶管的几何尺寸甚至超过了现有的工程标准。一般来说，设计这些项目只是基于工程经验而没有考虑尺寸大小带来的影响。因此，在大直径长运距管道中更容易产生可能危及工程安全的管道屈曲问题。
图1 顶管施工图
地下管线施工技术可以分为两种类型：埋管法和顶管法。埋管法由于水、土压力高，局部屈曲问题发生得较为频繁。由于环境温度变化的原因或浮力的影响，埋地管道施工中出现了另一种形式的隆起屈曲。顶管施工时，顶进力通常在所有外力中占优势。它主要导致管道整体屈曲（包括隆起屈曲），特别是对于长管道。如果水、土压力高，那么顶进力也会引起局部屈曲的发生。屈曲模态是埋管与顶管的主要区别。特别是当巨大的压力轴向作用于管道上时，容易引起不可预见的屈曲事故。
顶管可以看作是一种弹性或弹塑性圆柱壳。尽管许多研究人员对这项工作作出了贡献，圆柱壳在轴向压力作用下的屈曲机理仍然非常复杂。埋地钢质管道的屈曲与管道和土壤的变形有关。周围的土体不仅提供了作用在管道上的荷载，而且提供了防止管道向外变形的抗力。在建模和分析时，管道周围的土壤通常被认为是弹性地基，这样一来管土相互作用的影响便不会被忽视。
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