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隨著社會生產力的發(fā)展，管道工程的應用范圍越來越廣泛。埋地管道建設工程當中，難免由于管道輸送距離長，鋪設時預留的分支管道接不合適等原因，需要進行支路、主管道的改造和建設。為避免對人們的生產和生活造成影響，就要在主管道帶壓正常運行的情況下開孔施工。
由于埋地管道使用介質、工作狀況特殊，開孔位置在開孔施工及運行過程中的安全性能越來越引起人們的關心和重視。因此，對開孔一連接器結構在載荷作用下的應力分布規(guī)律進行有限元分析，可以為管道開孔工程的安全保證提供有力的理論依據。
將壓力管道帶壓開孔專用連接器簡化為三通結構。根據管道實際連接情況及結構特點，取結構的1/2建立有限元模型，采用三維殼單元建模。對有限元模型進行網格劃分方法，是在主管開孔區(qū)域適當增加單元密度，距離開孔區(qū)域較遠的端部，網格劃分相對稀疏。
根據埋地壓力管道的特點，載荷主要考慮內壓、管道及連接器的重量、施工時動力頭的重量、垂直上壓力及地面車載。施加載荷時，在模型對稱面上施加對稱約束。主管兩端約束根據地基的硬度、回填上夯實程度等因素，分別按兩端所有節(jié)點完全約束、部分節(jié)點完全約束、部分節(jié)點部分約束及一端全約束一端部分約束、全部節(jié)點部分約束5種情況進行討論。
建模尺寸采用施工時開挖工作坑的長度3.3m，然后對有限元模型施加不同的約束及載荷，討論在相同的約束條件下，不同載荷對埋地管道地基凹陷時的影響程度，這樣可以在工程實踐中指導操作，使管道應力控制在要求范圍內，確保管道安全運行。
對于基礎相對剛硬的懸跨管道，可以近似采用兩端嵌固縱橫彎曲模型，即對管道兩端進行全約束，就是將管道兩端所有節(jié)點施加6個約束。
(1)開挖工作坑進行帶壓開孔接管操作時，對管道及連接器施加的載荷大小為：
管道內壓：P=300kPa
動力頭重力：P,=2kN
連接器重力：P,=2.8kN
(2)管道及連接器總體應力的分布情況
由于結構及載荷的對稱性，管道及連接器的應力分布是對稱的。最大應力出現在管道開孔前方，其附近區(qū)域及開孔肩部屬于危險點。
工藝管上端也屬于危險點，由于施工時要用動力頭實施鉆孔，動力頭木身有一定的重量，再加上動力作用，因此在工藝管端部需采取一定的措施，比如增大受力面積、操作平穩(wěn)減小動力等。
應力最小值出現在管道跨中的下半部位、跨中與懸空段起始位置的中間部分及連接器工藝管的中間部位。因此，在施工的時候，開孔位置要選在應力值最小的這個區(qū)域。
根據建模時所采用的工況，由ANSYS分析結果，證明DN300的管道帶壓開孔4240施工時是安全的。
管道新開支路后正常運行，當地基由于各種原因發(fā)生凹陷時，管道上就會承受上部垂直上壓力及地面車載。為了分析上壓力與車載的影響程度，對管道分步施加載荷。
(1)管道所受載荷大小為：
管道內壓：P=300kPa
連接器重力：P,=2.8kN
垂直上壓力：Q=25kN/m
地面車載：P= 37.33kN/m
(2)管道只承受上壓力時。當管道只承受均布上壓力時，應力的最大值出現在管道開孔截面的前方處，并且從最大值處逐漸向中間延伸縮小。應力最小值出現在工藝管的中上部，以及跨中與管道懸空起始處之間部分的上下管面。
(3)管道只承受地面車載時。地面車載按照擴散角理論得出，作用在4m范圍內以均布載荷計算。如果管道在這4m范圍之內，作用結果與均布上壓力一樣，因此這里討論的地面車載是在管道的一端(右半部分)。
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