（水工结构工程专业论文）预应力钢筒混凝土管（PCCP）的有限元分析.pdf

中文摘要 在国内，预应力钢筒混凝土管( p r e s t r e s s e dc o n c r e t ec y l i n d e rp i p e ，简称p c c p ) 的数值仿真分析几乎为空白，而国外也处于起步阶段。本文首次对p c c p 管的制 造、施工安装和运行的全过程进行了全方面的数值仿真分析，从管道裂缝开展、 应力分布特征等方面论述了p c c p 管的优越性，并分析了管芯徐变对管道的影 响，这一点填补了国外在这方面研究的不足。 ( 1 ) 计算步骤与分析内容。依次施加预应力、管自重、回填土压、流体自 重及内水压力等荷载进行数值计算。分析了p c c p 管的变形、应力、裂缝、开裂 前后应力变化特征以及徐变效应。 ( 2 ) p c c p 管的变形。在钢丝的紧箍作用下首先发生收缩，内水压力作用之 前，发生椭圆形变形，内水压力作用过程中，管体膨胀，有恢复圆形的趋势。 ( 3 ) 裂缝扩展过程。腰部砂浆较早开裂，随着内水压力的增大砂浆开裂面 积向两侧扩展；外层管芯混凝土的管腰部位比其它部位较早开裂，并随着内水压 力的增大开裂向两侧扩展、向深处延伸；内层管芯管顶及包角处基本为一次裂通。 ( 4 ) 应力变化规律。内层管芯内、外侧及外层混凝土内侧环向应力变化规 律相似，而外层管芯的外侧与砂浆保护层相似；预应力使管芯与钢筒中产生环向 预压应力，钢丝中产生轴向拉应力；在回填土压作用过程中，钢丝拉应力在管顶、 管底减小而在管腰增大，内层管芯及外层管芯内侧在管顶、管底处压应力减小而 在管腰处增大，外层管芯外侧及砂浆变化过程相反；内水压力使p c c p 管中的拉 应力增大，而压应力减小。 ( 5 ) 开裂后应力突变现象。管芯裂缝出现后，裂缝处的结构应力都发生重 分配，管芯在裂缝位置拉应力释放，在靠近裂缝的位置由受压突变为受拉，而远 离裂缝的位置压应力突增：钢丝在管腰突增而在管顶与包角突减；钢筒在裂缝处 拉应力突增，发挥了钢材的抗拉性能，充分体现了这种复合管材的优越性。 ( 6 ) 徐变效应。徐变使p c c p 管进一步发生椭圆形变形；同时使结构应力 发生重分布，主要体现在：管芯自身应力重分布，管顶、管底和包角内侧以及管 腰外侧压应力增大，延后受拉，而其它特征部位压应力减小，提前受拉；结构间 的应力重分布，钢丝拉应力减小，钢筒压应力增大，内、外层管芯的内侧腰部压 应力减小，可见部分内水压力转由管腰部位的混凝土来承担，这对p c c p 管是不 利的。 关键词：水工结构工程，预应力钢筒混凝土管( p c c p ) ，有限元，应力，变 形，开裂，徐变 a b s t r a c t a th o m e ，t h e r ei sn o t h i n ga b o u tn u m e r i c a lm o d e l i n go fp r e s t r e s s e dc o n c r e t e c y l i n d e rp i p e ( p e e p ) ，a n da b o a r d ，i ti s a tt h ep h a s eo fs t a r t i n g i nt h i sd i s s e r t a t i o n ， f o rt h ef i r s tt i m e ，t h ew h o l ec o u r s ew h i c hi sf r o mm a n u f a c t u r e ，i n s t a l l a t i o nt or u n n i n g i sm o d e l e d t h es u p e r i o r i t yo fp c c pi sd i s c o u r s e du p o nf r o md i f f e r e n ta s p e c t ，s u c ha s t h eo n s e to fc r a c k ，t h ec h a r a c t e ro fs t r e s s ，a n ds oo n t h a th o wt h ec r e e po fc o r ea f f e c t t h ep i p ei sa n a l y z e d ，w h i c hm a k e su pt h ed e f i c i e n c ya b o u tt h es t u d ya b o a r d ( 1 ) l o a ds t e p sa n dw h a ti sa n a l y z e d t h el o a d sa r ea p p l i e di nt h ef o l l o w i n g o r d e r ：p r e s t r e s s ，p i p ew e i g h t ，e a r t hl o a d ，f l u i dw e i g h t ，a n di n t e r n a lp r e s s u r e t h o s e i n c l u d i n gd i s p l a c e m e n t ，s t r e s s ，c r a c k ，t h ec h a n g eo fs t r e s sa f t e rc r a c k i n ga n dc r e e pa r e a n a l y z e d ( 2 ) t h ed i s p l a c e m e n to fp c c p f i r s t l y , t h ep i p es h r i n k sa st h ef u n c t i o no ft h e p r e s t r e s s e ds t e e lw i r e s t h e n ，i to v a l i z e sb e f o r et h ei n t e m a lp r e s s u r ea p p l i e d a n dt h e n ， i tt e n d st or e - r o u n da n de x p a n d sa st h ei n t e r n a lp r e s s u r ei n c r e a s e s ( 3 ) c r a c kd e v e l o p i n g t h em o r t a rc r a c k sp r i o ra ts p r i n g l i n e ，a n dt h ec r a c k e x p a n d st o w a r d sb o t hs i d e sa l o n gw i t hi n c r e a s i n go ft h ei n t e m a lp r e s s u r e t h eo u t e r c o r ec r a c k sa tt h es p r i n g l i n ee a r l i e rt h a na to t h e rp a r t s ，a n dt h ec r a c ke x p a n d st o w a r d s b o t hs i d e sa n de x t e n d sd e e p l ya st h ei n t e r n a lp r e s s u r ei n c r e a s i n g t h ei n n e rc o r e c r a c k sa tc r o w na n da n g l ea to n eb l o w ( 4 ) s t r e s sc h a n g i n g t h eh o o ps t r e s si nt h ei n n e rc o r ec h a n g e ss i m i l a r l yw i t h t h a ti nt h ei n s i d eo fo u t e rc o r e ，a n di ti nt h eo u t s i d eo fo u t e rc o r ei st a l l yw i t ht h a ti n t h em o r t a r t h ep r e s t r e s s e ds t e e lw i r e sm a k et h ec o r ea n dt h e c y l i n d e rh o o p c o m p r e s s e d ，a n dm a k e st h ew i r e sp u l l e da x i a l l y d u r i n gt h ee a r t hl o a df u n c t i o n s ，t h e a x i a lt e n s i l es t r e s si nt h es t e e lw i r e si n c r e a s e sa tc r o w na n di n v e r t ，w h e r e a si t d e c r e a s e sa ts p r i n g l i n e a tt h es a m et i m e ，t h ec o m p r e s s i v es t r e s si nt h ei n n e rc o r ea n d t h ei n s i d eo fo u t e rc o r ed e c r e a s e sa tc r o w na n di n v e r t ，b u ti ti n c r e a s e sa ts p r i n g l i n e ， a n di nt h eo u t s i d eo fo u t e rc o r ea n dm o r t a r , t h eh o o ps t r e s sc h a n g e sr e v e r s e l y a st h e i n t e r n a lp r e s s u r ei n c r e a s i n g ，t h et e n s i l es t r e s si n c r e a s e s ，a n dt h ec o m p r e s s i v es t r e s s d e c r e a s e si nt h ep i p e ( 5 ) s t r e s sc h a n g i n gs u d d e n l ya f t e rc r a c k i n g a f t e rt h e c o r ec r a c k i n g ，t h e s t r e s sa r o u n dt h ec r a c kr e d i s t r i b u t e s t h ec o r ei nt h ez o n eo fc r a c kr e l e a s e st h et e n s i l e s t r e s s ，a n dt h ec o r en e a r b yt h ec r a c kt a k e sas u d d e nc h a n g ef r o mb e i n gc o m p r e s s e dt o b e i n gp u l l e d ，a n dt h ec o m p r e s s i v es t r e s si n c r e a s e ss u d d e n l ya p a r tf r o mt h ec r a c k i n t h ew i r e s ，t h ea x i a lt e n s i l es t r e s si n c r e a s e ss h a r p l ya ts p r i n g l i n e ，a n di t d e c r e a s e sa t c r o w na n da n g l e i nt h ec y l i n d e r , t h et e n s i l es t r e s sa tt h ec r a c k i n c r e a s e ss u d d e n l y ，a s e x e r t st h ea n t i p u l l e dc a p a b i l i t yo fs t e e la n de m b o d i e st h es u p e r i o r i t yo ft h i st y p eo f p i p e ( 6 ) c r e e p c r e e pm a k e sp c c po v a l i z em o r e a tt h es a m et i m e ，i tm a k e st h e s t r e s si nt h ep i p er e d i s t r i b u t e f i r s t l y , t h es t r e s si nt h ec o r ei t s e l fr e d i s t r i b u t e s ，w h i c h r e f l e c t si nt h a tt h ec o m p r e s s i v es t r e s si n c r e a s e sa n dt h ec o r eb e a r st e n s i l es t r e s s r e t a r d i n g l ya tc r o w n ，i n v e r ta n da n g l e ，b u ti t i sr e v e r s ef o r t h eo t h e rp a r t so ft h ec o r e s e c o n d l y ，t h es t r e s sr e d i s t r i b u t e sa m o n gt h es t r u c t u r e s ，w h i c hr e f l e c t s i nt h a tt h e t e n s i l es t r e s si nt h ew i r e sd e c r e a s e s ，a n dt h ec o m p r e s s i v e s t r e s si nt h ec y l i n d e r i n c r e a s e s ，a n dt h ec o m p r e s s i v es t r e s sd e c r e a s e s a ts p r i n g l i n ei nt h ei n s i d eo fi n n e rc o r e a n do u t e rc o r e s oi ti so b v i o u st h a tp a r to ft h ei n t e r n a lp r e s s u r ei sw i t h s t o o db yt h e c o n c r e t ea ts p r i n g l i n e ，w h i c hi sd i s a d v a n t a g e o u s f o r t h ep i p e k e y w o r d s ：h y d r a u l i c s t r u c t u r ee n g i n e e r i n g ；p r e s t r e s s e dc o n c r e t ec y l i n d e rp i p e ； f i n i t ee 1 e m e n ta n a l y s i s ；s t r e s s ；d i s p l a c e m e n t ；c r a c k i n g ；c r e e p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：霖彰凳 签字日期：川年1 月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解本鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：染影冤 导师签名： 签字日期：年l 月彳日签字日期：彦一g 年z 月“日 第一章绪论 第一章绪论 2 0 世纪以来全世界工农业和城市用水量不断增长。全国6 7 0 座城市，其中有 4 0 0 座不同程度的缺水，1 0 8 座严重缺水。随着经济的发展，国内大中城市不得 不采取长距离引水，如北京、上海、天津、长春、大连、石家庄和深圳等，从近 几年来的情况看，采用的输水管道口径越来越大，距离越来越长i ”。选择一种生 产制造方便、耐久安全、经济适用的输水管材，势在必行。 1 1 预应力钢简混凝土管( p c c p ) 的结构及其特点 1 1 1p c c p 的结构 预应力钢筒混凝土管( p r e s t r e s s e dc o n c r e t ec y l i n d e rp i p e ，简称p c c p ) 是在 带钢筒的混凝土管芯上缠绕环向预应力高强钢丝，并喷涂水泥砂浆保护层而制成 的新型复合管子，混凝土管芯之间的钢筒与两端的承插口及橡胶圈组成一个密封 体。预应力钢筒混凝土管从型式上分为两种：一种是内衬式预应力钢筒混凝土管 ( p c c p - l ) ，如图1 1 ，是在钢筒内部衬以混凝土后。在钢筒外面缠绕预应力钢 丝再辊射砂浆保护层：一种是埋置式预应力钢筒混凝土管( p c c p e ) ，如图1 2 ， 是将钢筒埋置在混凝土里面，然后在混凝土管芯上缠绕预应力钢丝，再辊射砂浆 保护层。 图1 1 内衬式预应力钢筒混凝土管( p c c p - l ) 结构图 图1 2 埋置式预应力钢筒混凝土管( p c c p - e ) 结构图 #匹岂善o ，io量善o 第一章绪论 1 1 2 p c c p 的特点 ( 1 ) 承受较高内外压 一方面，p c c p 管是把钢板卷成管状，管件接口采用钢环承插口，钢环与管 身钢管焊接。钢环承插口嵌入橡胶圈，故其可承受较高的内压。另一方面，p c c p 管之所以能承受较高的内外压，与它的自身结构有关，管身缠绕的高强度钢丝对 管体施加了预应力，使混凝土管及钢筒被压缩，当管体承受内压和外压时，p c c p 所受到的张力被原先的预压应力所抵消，使得p c c p 管能承受很高的内压及外 压；钢筒能够增加管体环向强度，同时，当p c c p 承受外压时，钢筒可以支撑此 部位因瞬时而产生的张力，提高其抗外压能力。 ( 2 ) 通水能力强 p c c p 管内表面光滑，不形成瘤节，表面不结垢，流水阻力小。经水力摩阻 试验测得：离心成型的p c c p l 管，n - - 0 0 1 2 ；对于立式振动成型的p c c p e 管， n = 0 0 1 0 7 ，可见粗糙率值是比较小的，水头损失小。p c c p 管有其独特的复合结 构和独特的接头形式，又采用橡胶圈受压反弹密封机制，产品在工厂中质量得到 控制，建成的管线又经泵压试验等检验，管线的性能有保证。既不会出现管身渗 水，也不会出现接头漏水现象。该种输水管线在长期运行中，管路损失极小，输 水成本低，使用寿命长，其社会综合效益好。 ( 3 ) 耐腐蚀性能好 p c c p 的预应力钢丝、钢筒均埋在良好密实的水泥层之内，经防腐处理的承 插1 ：3 安装后其外露部位又用砂浆灌注封口，由于水泥本身p h 高达1 2 5 ，使得内 层金属表面产生非活性氧化铁保护层，该保护层会阻止金属进一步氧化，因此 p c c p 具有其它管种所没有的防腐特性。 ( 4 ) 安装便捷 p c c p 的承插e l 设计允许承受少量的位移，接头可绕度大，对于p c c p 管节 在安装时带来许多便捷。如进行小倒虹施工等，尤其是在软土地区安装更具有广 泛的适应性。 ( 5 ) 接头密封好 p c c p 接头采用钢制承插口，尺寸精度高( 承口与插q t 作直径配合间隙最 小o 5 m m ，最大2 r a m ) ，承口呈钟形环状，插口是带有凹槽的特制异型钢，胶圈 按等断面设计放置在凹槽内，这样不仅使胶圈受双向挤压形成很好的密封力，而 且胶圈定位良好。这种型式的接头可承受高达3 0 m p a 的压力。 ( 6 ) 对地基适应性好 p c c p 采用的半刚性接头使得此种管材既有一定程度的刚性，又有一定的柔 2 第一章绪论 性，使其能转一定的角度，所以适应地基变化的性能较其它管材要好。 ( 7 ) 可通过焊接部分接头以抵抗推力 当施工现场不方便做混凝土支墩抵抗推力，或者经比较做混凝土支墩不经济 时，p c c p 管可通过在现场将转角处一定数量管道的钢制接口焊接起来，以抵抗 推力。 ( 8 ) 使用寿命长 该管为直筒型，运输方便，且钢制接头使得运输安装中无损耗。安装时沟槽 开挖宽度窄，接口工作坑浅，综合造价低。国外5 0 年的运行经验已经证明，p c c p 的寿命可达五十年以上，其社会综合效益好。 2 1 3 1 1 4 【5 】1 6 1 1 2 预应力钢筒混凝土管( p c c p ) 在国内外的发展历史 1 2 1p c c p 在国外的发展历史 早在1 8 9 3 年巴黎总工程师邦纳( b o r m a ) 设计和制造了钢筒混凝土管，管径 为1 8 0 0 m m ，内压力0 3 5 m p a ，第1 次铺设于巴黎科隆贝( c o l o m b e s ) 引水管网， 其长度为1 5 0 0 m ，1 9 3 9 年邦纳公司制造了预应力钢筒混凝土管，并敷设于巴黎 郊区。 1 9 4 2 年美国开发了预应力钢筒混凝土管，生产的第一节p c c p 是内衬式管 ( p c c p l ) 。起初，内衬式管的内径局限于o 4 1 2 m ，到1 9 7 9 年颁布的规范 a w w ac 3 0 1 将p c c p l 的管径提高到了1 5 m 。埋置式管( p c c p e ) 开始生产 于1 9 5 2 年，内径至少可达0 6 m 。2 0 世纪5 0 年代，对p c c p 管的设计与制造作 了多次改变：高强钢丝的缠丝应力提高到钢丝最小标准抗拉强度的7 0 ；采用 水泥净浆使得钢丝处于高碱性环境中；将两种设计方法规范化，这两种设计方法 作为a w w ac 3 0 1 ( 1 9 6 4 ) 的附录a 和附录b 。1 9 6 4 年及以后的规范都作了更 大的改进：允许采用较薄的冷扎钢材制造钢筒；管芯厚度减小等等【7 j 。1 9 9 2 年美 国国家标准研究所和供水协会联合颁布了预应力钢筒混凝土管的设计规范 ( a n s 脚w a c3 0 4 9 2 ) ，经修订，目前称为a n s i a w w a c 3 0 4 9 9 。除此之外， 学者们对p c c p 管作了各方面的研究，主要有：1 9 5 0 年司曼( f e s e a m a n ) 和 1 9 6 0 年肯尼逊( h ek e r m i s o n ) 对管体进行了荷载试验，从1 9 5 0 年至1 9 6 3 年 肯尼逊和司祖勒e a b s z u l e ) 研究了p c c p 管结构性能和设计标准，1 9 6 3 年至 1 9 7 2 年鲁必逊( r c r o b i n s o n ) 对保护层和抗腐蚀进行了研究。2 0 世纪8 0 年 代至9 0 年代黑格( f j h e g e r ) 、兹加米( m z z a r g h a m e e ) 和丹纳( w r d a n a ) 等学者对预应力钢筒混凝土管的力学性能和计算进行了广泛深入的研究。 2 0 世纪7 0 年代初开始发生不同程度的爆管事件，人们开始对p c c p 管进行 第一章绪论 监测，根据监测结果评估管线的状况从而决定管线的修复措施并且预估其残余强 度和剩余寿命，在这期间，人们发明了多种无损伤性的监测技术以及修复措施、 方案，而且一直以来不断地改进技术提高监测结果的精确性、可靠性。1 美国生产厂家从开始2 家，后来发展至8 家，经过演变，现在只有4 家，即 阿美隆( a m e r o ) 、兄弟公司( p r i c eb r o t h e r ) 、即福希( g i f i o r d h i l l - a m e r i e a n ) 和格瑞太克斯( c r e t e x ) ，其中以阿美隆和兄弟公司规模最大。阿美隆公司为美 国加州的中央亚利桑那工程制作了管径为6 4 m 的大型管道，内压o 9 8 m p a ，管 顶覆土1 0 5 m ，修建长度1 0 5 k m ，卡司太克工程管径为5 1 m ，内压o 9 5 m p a ， 长度9 5 k m ，管顶覆土1 3 5 m ，还有管径为7 m 的倒虹吸工程，距离不长。兄弟 公司除美国中部、东部工程外，为利比亚的大人工河现场制作了大直径的预应力 钢筒混凝土管，第1 期工程为1 9 0 0 k m ，第2 期工程为1 7 0 0 k m ，管径大部分是 4 m ，小部分2 8 m 、2 m 和1 6 m ，内压大部分是1 0 1 2 m p a ，小部分是0 6 、o 8 、 1 6 和1 8 m p a ，现已通水运营j 。 1 2 2p c c p 在国内的发展历史 p c c p 管是我国近十几年来在引进和消化吸收美国先进技术和关键设备的基 础上，研究发展起来的新一代预应力混凝土压力管。1 9 8 9 年由山东电力管道工 程公司，引进了美国阿美隆( a m e r o ) 公司的部分关键设备铜筒卷焊机，承、 插口生产设备，专用管模等，并由国家电力公司杭州机械设计研究所配套研究设 计的两台主机立式差速绕丝机、立式辊射喷浆机和仿制设计了矿1 6 m 钢筒 卷焊机的芯模，建成了一条设备完善、工艺先进的大口径p c c p 管生产线，并于 1 9 9 0 年6 月生产出第一批口径为2 6 m 的p c c p e 管，填补了国内空白。 山东电力管道工程公司于1 9 9 1 年又为山东淄博引黄工程生产了1 2 5 k m 、口 径1 6 m 的p c c p e 管，于1 9 9 2 年1 月一次性通水试验成功。未发现渗、滴、漏 现象，得到用户好评。近十几年来又生产了口径2 6 m 以下的各种规格的p c c p 管，1 9 9 8 年又从美国引进了一台生产口径1 2 m 以下的小口径钢筒卷焊机( 但承、 插口需要人工焊接) 。因此，山东电力管道工程公司是目前国内设备最完善的 p c c p 制管公司之一。 深圳太阳管道有限公司，创办于1 9 9 2 年，引进美国普莱斯兄弟( p r i c e b r o t h e r s ) 公司全套设备，可生产口径为o 9 2 6 m 的p c c p 管。1 9 9 9 年由国家 电力公司杭州机械设计研究所杭州和达混凝土机械工程有限公司提供了一台可 生产口径为3 m 的立式差速绕丝机。该公司近几年来为深圳地区及越南生产了一 大批大口径p c c p 管。 无锡华毅管道有限公司与外商合资，于1 9 9 5 年4 月建成了一个p c c p 管道 第一章绪论 公司。该公司也引进了美国艾美隆公司的钢筒卷焊机和承、插口设备等，由国家 电力公司杭州机械设计研究所改进设计了立式差速绕丝机和立式辊射喷浆机以 及钢筒吊具、管芯吊具等设备，建成了一条设备更为完善的生产线。投产后生产 了一批口径1 4 m 的p c c p e 管，又为苏州新加坡园区生产了口径1 2 m 的p c c p 管1 5 k i n 。近几年来已生产了口径2 4 m 以下的各种规格的p c c p 管。 吉林电力管道工程公司于1 9 9 2 年建成可移动的p c c p 管厂，为深圳地区也 生产了一批p c c p 管。 四川金炜集团公司与成都自来水公司合资，于2 0 0 0 年4 月建立了成都金炜 制管有限责任公司。该公司全部采用国产设备，由国家电力公司杭州机械设计研 究所杭州和达混凝土机械工程有限公司提供的主要配套设备有钢筒卷焊机、立式 差速绕丝机、立式辊射喷浆机等，已生产了一批口径1 8 m 的p c c p e 管，并已 铺设了一条管线。 杭州和达公司可提供生产p c c p 管的全套设备和技术，可生产的口径为 1 4 - 3 0 m ，可为用户节省大量建厂投资，对降低产品成本，加快建厂速度起到关 键作用。从而证明了新建p c c p 管厂，完全可以依靠国内自身力量，而不必依赖 进口设备。纠 据不完全统计，国内已安装p c c p 管5 0 0 k m 多。另外，1 9 9 6 年国家建材局 颁布了预应力钢筒混凝土管生产的行业标准( j c6 2 5 1 9 9 6 ) ，预应力钢筒混凝土 管的设计规范也正在编制中【1 1 。国内采用p c c p 管的部分工程实例列于表1 1 。 表1 1p c c p 管在国内部分工程的应用 应用工程p c c p 管口径( m )铺设长度( i o n ) 江西建阳水电站 o 6o 5 山东淄博引黄工程 1 61 2 5 苏州工业园 1 4 1 6 东莞中西部供水工程1 6 2 22 l 深圳东部供水工程 2 6 3 01 7 3 山西万家寨引黄工程 3 o4 3 2 1 3 预应力钢简混凝土管( p c c p ) 的设计与数值分析 1 3 1p c c p 管的设计 目前，国内外设计p c c p 管时，多采用美国预应力钢筒混凝土压力管设计标 准a w w ac 3 0 1 、a w 3 7 f ac 3 0 4 ，该标准的设计方法为极限状态设计法，其宗旨 是为了保证p c c p 管在承受工作荷载附加瞬时荷载及内压时的耐久性。极限状态 设计法还可以保证p c c p 管在可能发生可见裂缝的特发情况下管壁预压应力和 第一章绪论 强度安全余量。极限状态设计方法主要考虑的是管壁单位圆环内由内压、外荷载、 管重和管内流体自重引起的极限轴力和极限弯矩。该方法明确规定p c c p 管在承 受工作荷载和内压时所受的内力不得超出极限状态设计准则。 在具体设计时，规定了三种极限状态设计准则：( 1 ) m 作极限状态设计准则， 旨在消除工作荷载和内压作用时管芯出现微裂缝和控制保护层出现微裂缝，该准 则同样意欲消除在工作荷载附加瞬时荷载和内压作用时管芯和保护层出现可见 裂缝；( 2 ) 弹性极限状态设计准则，定义为工作荷载附加瞬时荷载和内压组合条 件，也即假设预应力管在瞬时条件下欲开裂时，p c c p 管应具备足够弹性特性以 防止发生破坏或预应力损失；( 3 ) 强度极限状态设计准则，定义为保证p c c p 管 抵御预应力钢丝屈服：混凝土管芯在外荷载下开裂：钢丝在内压作用下断裂。 f 9 】 z o j t lz 】 1 3 2p c c p 管数值分析现状 在国内，对p c c p 管的有限元研究非常少，文献 1 2 】预应力钢筒混凝土管 ( p c c p ) 性能分析对p c c p 管性能进行了有限元分析1 1 2 ，文献 1 3 】 o - t _ o 定a 3 ( 压一压一压) ( 2 ) 盯l 兰0 珐勤( 拉一压一压) ( 3 ) 盯1 2 以亚以( 拉一拉一压) ( 4 ) o i 芝匹：畦! o ( 拉一拉一拉) 下面分别对这四个区域进行说明： 1 4 第三章预应力钢筒混凝土管( p c c p ) 有限元仿真分析 ( 1 ) 睑盯l 之崆( 压一压一压) s ：塾 f = 去阽。一吒y + p ：一巳) 2 + 瓴q ) 2 ( 3 ：) 掣肇单监季也：翌! 至垒 ( 3 3 ) 4 悖- 5 2c o s 占+ ( ，2 2 ) 2 一 式中：c o s 0 一一一兰旦= 垒二垒一 一 压忙。一0 - 2 ) 2 + k 一乃) 2 + 瓴一0 2 ) 2 f ，l = a o + 口l f + 4 2 善2 ； ，2 = b o + 6 i f + 6 2 掌2 ； 善2 万o h ，为静水应力，石为混凝土的单轴抗压强度 ( 2 ) 盯l 0 畦扔( 拉压一压) f = 去k 一乃) 2 + 西+ 蠢 ( 3 4 ) 卟爿坐尘糍 式中：p l = a o + 口l x + a 2 x 2 ； 丛氅型丛彗堑二垫鱼l ( 3 ，) 口+ ( p ：一2 p 1 ) 2 一 p 2 = b o + 6 l z + 6 2 2 2 ： z ：；p ：+ c r 3 ) ， 4 0 、口l 、砚、6 0 、6 l 、幻为待定系数。 在拉一压一压区如果破坏准则得到满足，则在垂直于主应力们的平面上出现 拉裂缝。 ( 3 ) a j _ a z o a 3 ( 拉一拉一压) f = 仉f = 1 ，2( 3 6 ) s = 和爿h ，z ， 如果破坏准则在f = 1 ，2 时都满足，则在垂直于主应力们和0 2 的平面上都会 出现拉裂缝；当破坏准则仅在f = i 时得到满足，则仅在垂直于主应力盯l 的平面 第三章预应力钢筒混凝土管( p c c p ) 有限元仿真分析 上会出现拉裂缝。 ( 4 ) 们三咖2 0 ( 拉一拉一拉) f = 吼i - - - - 1 ，2 ，3 ( 3 8 ) s ：五( 3 9 ) f c 如果破坏准则在三个主应力方向都得到满足，则分别会在垂直于主应力盯- 、 晚和0 3 的平面上出现拉裂缝；当破坏准则仅在两个主应力方向得到满足时，则 仅会在垂直于主应力们和晚的平面上出现拉裂缝；当破坏准则仅在一个主应力 方向得到满足时，则拉裂缝仅在垂直于主应力盯1 的平面上出现。 3 1 3 材料参数及有限元加载步骤 ( 1 ) 材料参数 表3 1 列出了p c c p 管材料参数。 表3 1p c c p 管材料参数列表 密度弹性模型泊松比凝聚力摩擦角 材料 口( k g m 3 ) e ( p a ) d c ( m p a )谚( 。) 管芯混凝土 2 3 2 32 4 8 e 1 00 1 51 0 l e 64 5 砂浆保护层 2 2 4 32 5 3 e 1 00 1 51 0 l e 64 5 钢筒 7 8 3 3 2 0 7 e 1 10 2 9 预应力钢丝 7 8 3 31 9 3 e 1 10 - 2 9 ( 2 ) 加载步骤 从p c c p 管的制造、施工到运行，分四大步对p c c p 管进行分析，见表3 2 。 首先通过降温法一次性施加预应力荷载，这里预应力荷载为考虑了预应力 损失后钢丝的最终预应力，预应力损失主要从两个方面考虑【2 7 】：第一，缠丝时 管芯产生弹性收缩、在持续应力作用下钢丝出现松弛，在上述变形发生后的混凝 土内建立的应力为初始压缩应力，相应的预应力钢丝的拉应力减少，其减少值为 初始弹模比与初始混凝土应力的乘积：疗而；第二，在持续应力作用下，预应力 钢丝出现轻度松弛，导致钢丝内应力损失，这过程发生在缠丝后1 0 0 0 小时以内， 从设计上考虑，该部分应力损失为缠丝总应力的1 0 即0 1 磊。考虑上述两种应 力损失后，钢丝最终预应力方程为： 1 6 第三章预应力钢筒混凝土管( p c c p ) 有限元仿真分析 无= 厶( 1 一o 1 ) 一一厶= 0 9 厶一一无 ( 3 1 0 ) 式中：厶为钢丝的初始应力，矗为钢丝的总缠丝应力，啦为钢丝与混凝土 的初始模量比。 施加p c c p 管自重，本文按照p c c p 平放的状态施加其重力，如图3 7 所 示。 施加回填土压，沟槽回填分管道垫层回填、管侧垫层回填、沟槽带回填及 一般回填，管道两侧应对称下料，分层夯实，均匀上升。计算中将垫层自重与 p c c p 管的自重同时施加，也就是说，垫层自重是在上一步中施加的；而回填土 自重分为四层施加，如图3 7 所示。 图3 7 回填土自重施加顺序 施加流体自重及内水压力，首先施加管中流体自重( 即内水压力为o m p a ) ， 然后逐步施加内水压力直到o 6 m p a ，如表3 2 所示。内水压力较小时，荷载步 之间压力增值较大，随着内水压力的增大，增值逐渐减小。 表3 2施加荷载顺序 荷载步 123 i 4567 回填土 荷载预应力管自重流体自重( o m p a ) 1 s t l 2 n d3 r d4 t 1 1 荷载步891 0 i 2 8 2 9 l 5 3 内水压力 o 1 伊a0 2 渤0 _ 2 2 m p al 0 5 4 o 5 5 m p a 10 6 0 m p a 注：内水压力指管顶所受的内水压力 3 2p c c p 管的有限元分析 3 2 1p c c p 管施加预应力的模拟 p c c p 管具有较强的承压能力，除自身结构特点外，主要归功于预应力高强 钢丝对管芯混凝土产生的初始压应力，使得管芯混凝土受到内水压力时，抵消预 1 7 第三章预应力钢筒混凝土管( p c c p ) 有限元仿真分析 压应力之后才会受拉，从而提高了p c c p 管的承压能力。对p c c p 管预应力的数 值分析主要涉及到对钢丝预应力的模拟方法。 ( 1 ) 钢丝预应力的模拟方法 在a n s y s 中，预应力混凝土结构的分析方法可分为两大类2 8 】1 2 9 】【3 0 】，其一是 将力筋的作用以荷载的形式作用于结构，即所谓的等效荷载法；其二是力筋和混 凝土分别用相应的单元模拟，预应力通过不同的模拟方法( 初应变法、降温法) 施加，称之为“实体力筋法”。将这两种方法应用到本文，得到对预应力钢丝的 模拟方法。 等效荷载法。就是将钢丝的预应力以荷载的形式作用于混凝土结构上。它 的优点是：建模简单，不必考虑钢丝的具体位置而可直接建模，网格划分比较简 单，程序收敛也比较容易，对于结构在预应力作用下的整体效应比较容易求得。 其缺点是：a 在外荷载作用下，难以考虑外荷载和预应力钢丝的共同作用，不能 模拟预应力钢丝在外荷载作用下的应力增量：b 难以求得结构细部受力反应，否 则荷载必须施加在力筋的位置上，这又失去了建模的方便性；c 无法模拟由于应 力损失引起钢丝各处应力不等的因素。 初始预应变法。也就是给钢丝一个初始应变，来把预应力施加上去。该方 法通常不能考虑预应力损失，否则每个单元的实常数各不相等，工作量较大。 降温方法。这种方法比较简单，利用物体热胀冷缩的特性，通过对预应力 钢丝的杆单元实施降温，产生收缩，从而模拟预应力钢丝对管芯混凝土产生的预 压应力。这种方法的温降只是在钢丝中产生，预应力可以通过降温值的大小灵活 控制，而且容易保持预应力值恒定，使得预加力为常量。如果要考虑钢丝预应力 损失，可以根据预应力损失分布相应地调整各单元需施加的降温值。计算降温值 是利用温度产生的线应变与轴力产生的相等的原则来建立的，故 址。上 g e a ( 3 1 1 ) 式中：出为需施加的降温值；彳为预应力钢丝的截面面积：a 为预应力钢丝 的线膨胀系数；占为预应力钢丝的弹性模量。 如果需要考虑钢丝的预应力损失，可将式3 1 l 直接乘以预应力损失系数，得 到式3 1 2 f f = 五二_ 一 ( 3 1 2 ) 式中：a 为预应力损失系数，其它同上。 第三章预应力钢筒混凝土管( p c c p ) 有限元仿真分析 这种方法可以消除等效荷载法与初始应变法的缺点，本文采用了降温法模拟 钢丝预应力。 ( 2 ) p c c p 管的预应力有限元分析 根据p c c p 管的制造流程，预应力钢丝缠绕于管芯混凝土之后，喷涂砂浆保 护层，所以预应力钢丝不会对砂浆保护层产生预应力，因此在计算p c c p 管初始 应力场时，应杀死砂浆保护层单元，也就是说，在这环节中，计算模型中只有 内、外层管芯混凝土、钢筒及预应力钢丝 预应力钢丝对管芯混凝土产生的环向的预压应力分布规律见图3 8 图3 9 ， 从图3 8 ( a ) 与图3 9 ( a ) 中可看到，沿着径向，内、外层混凝土的预压应力均 逐渐减小，并且内层混凝土的应力值大于外层的；从图3 8 ( b ) 与图3 9 ( b ) 可 看到，沿着圆周，预压应力均为常数，其中，内层混凝土的内、外侧压应力分别 为3 6 5 m p a 、3 4 4 m p a ，而外层混凝土分别为3 4 6 m p a 、3 1 5 m p a 。另外，预应 力钢丝对钢筒产生的预压应力沿圆周也为常数，3 0 5 m p a ，见图3 1 0 ，而预应力 钢丝主要受轴向拉应力，为1 1 0 g p a 。 ( a ) ( b ) 图3 8 内层管芯混凝土环向预压应力( m p a ) 1 9 第三章预应力钢筒混凝土管( p c c p ) 有限元仿真分析 ( a ) ( b ) 图3 9 外层管芯混凝土环向预压应力( m p a ) 图3 1 0 钢筒环向预压应力( m p a ) 3 2 2p c c p 管的变形 图3 1 1 与图3 1 2 分别为p c c p 管纵向、横向直径随荷载步的变化曲线图， 从图中可看到，在预应力作用下，纵向、横向直径相等，为3 9 9 9 4 3 m ，均小于 4 m ，可见，在预应力钢丝的紧箍作用下，管体均匀收缩；当施加管自重作用时， 管体纵向直径减小，而横向直径增大；同样，逐级填加回填土压及流体自重时， 管体纵向直径减小横向直径增大，并且最后一层回填土作用下变化幅度最大；可 见，在内水压力作用之前，管体在自重、回填土以及流体自重的作用下，发生水 平方向延伸，垂直方向缩短的椭圆形变形。当作用内水压力时，纵向、横向直径 第三章预应力钢筒混凝土瞥(