多基复合管用混凝土开裂现象的数值模拟研究.pdf

2 0 1 5年 第 1 0期 (总 第 3 1 2 期) Nu mb e r 1 0 i n 2 0 1 5 ( T o t a l No 3 1 2 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEORETI CAL RES E ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 1 0 0 0 6 多基复合管用混凝 土开裂现 象的数值模拟研 究 曹源 ， 郑立霞 ， 张小玉 ， 黎洪光 ，陈鹏 ( 1 重庆水利电力职业技术学院， 重庆 4 0 2 1 0 6； 2 武汉理工大学 理学院， 湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ) 摘要： 为避免混凝土开裂和变形过大造成多基复合管的混凝土层和外层预应力玻璃钢及内树脂层脱黏， 影响其 吊装和正常使 用， 应用 A N S YS 对多基复合管在吊装及使用过程中混凝土的开裂现象进行了数值模拟研究 ， 发现所用特定配合 比下 的混凝 土 在吊装过程 中不会发生因其开裂而导致的管道破坏 ， 在使用过程中其开裂极限外压为 3 1 5 t m， 开裂极限内水压为 1 3 MP a 。 从 而克服了试验的局限性， 节省了大量的人力 、 物力和时间， 为多基复合管的吊装及使用提供可靠的参考依据。 关键词： 多基复合管； 混凝土； 开裂 ； 数值模拟 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 1 0 0 0 2 2 0 4 S t u d y o f n u me r i c a l s i mu l a t i o n o n c o n c r e t e c r a c k i n g ph e n o me n o n o f mu l t i ma t r i x c omp o s i t e p i p e CAO Yu a n ， ZHENG LJ x i a ， ZHANG Xi a o yu ， LI Ho n g gu a n g ， CHEN P e n g ( i C h o n g q i n g Hy d r o p o we r Vo c a ti o n a l a n d T e c h n i c a l Co l l e g e ， Ch o n g q i n g 4 0 2 1 0 6 ， C h i n a 2 C o l l e g e o f S c i e n c e ， Wu h a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 0， Ch i n a ) Abs t r ac t ： I n o r d e r t o a v o i d d e b o n d i ng a mo ng c o n c r e t e l a ye r ， o ut e r f i b e r g l a s s l a y e r a n d t h e i n ne r r e s i n l a y e r o f mu l t i ma t r i x c o mp o s i t e p i p e d u e t o c r a c k i n g a n d e x c e s s i v e d e f o r ma tio n o f c o n c r e t e l a y e r ， a f f e c ti n g i t s l i f t i ng a n d n o rm a l us e Ba s e d o n n u me ric a l s i mu l a t i o n o f c r a c k i n g o n c o n c r e te o f mul ti m a t r i x c o m p o s i t e p i p e i n t h e p r o c e s s of l i f ti n g a nd u s i n g b y AN S YS， f o u n d tha t c r a c k i n g o f c o n c r e t e d o e s n o t o c c u r i n the p r o c e s s o f l i f t i n g ， b u t p i p e l i n e d a ma g e s d u e t o c o n c r e t e c r a c k i n g i n the c o u r s e o f u s e， the o u t e r l i mi t s p r e s s u r e o f i t s c r a c kin g i s 3 1 5 tm ， th e i n n e r l i mi t s p r e s s u r e o fi t s c r a c kin g i s 1 3 M Pa I t o v e r c o m e s the l i mi t a t i o n s o fth e t e s t s ， s a v i ng a l o t o f man p o we r， ma t e ria l s a n d t i me， a n d pr o vi d i n g a r e f e r e n c e b a s i s f o r l i f t i n g a n d u s i n g o f mu l tima t r i x c o mpo s i t e p i pe Ke y wo r ds ： mu l t i ma t r i x c o mp o s i t e p i p e ； c o n c r e t e ； c r a c kin g ； n u me ri c a l s i mu l a t i o n 目前用 于土木 工程 的材 料 中， 混凝 土仍 占据主导 地 位 。 混凝土结构 由于原材料性能、 施工工艺 、 使用环境等诸 多 因素的影 响不 可避 免会产 生裂缝 ， 以致 于常 常带缝 工 作 。 而裂缝尤其是宏 观裂缝 ( 指 宽度在 0 0 5 mm 以上 ， 肉眼可以看到的 ) 是混 凝土结构承载能力 、 耐 久性 及抗渗 透性降低 的主要原 因之一 。 所以研究开裂对混凝 土结构 ， 尤其是用 于水工构筑物 和建筑 物的混凝土有着重要 的意 义 。 现有 文献 和 资料 对 混 凝 土 开裂 的试 验研 究 比较 常 见 ， 但数值模拟研究 比较少。 而对新 型多基复合材料 管来讲 ， 混凝土开裂将造成其混凝土层和预应力玻璃钢层 及 内树脂层脱 黏， 影响其 吊装及正常 的使用 。 多基复合管 用? 昆 凝土在 内外 荷载作用下 的开裂极 限压力可 以通过 内 水压试验及平压试验来测定， 但是由于试验条件的限制， 试验很难实现。 考虑到数值模拟可以节约人力 、 物力 、 减少 耗时 ， 而且用于多基复合管 的混凝 土在 吊装和使用过程 中 的数值模拟更是少见 ( 未 见文献报导 ) 。 所 以本研究应用 有限单元计算软件 A N S Y S对多基复合材料管在吊装及使 收稿 日期 ： 2 0 1 5 一 O 卜 1 8 基金 项 目 ： 国家高技术研究 发展计划 8 6 3项 目( 2 0 1 3 A A 0 3 1 3 0 6 ) 2 2 用过程 中混凝土 的开裂现象进行了数值模拟研究 。 从而克 服了试验的局 限性 ， 节省了大量 的人力 、 物力和时问， 而且 为多基复合管 的吊装及使用提供了可靠的参考依据。 1 数值模拟中用到的单元类型 本研究对多基复合管的数值模拟共选用了丽种单元， 管芯混凝土采用 S OL I D 6 5单 元 ， 内层树脂 及外层 预应 力玻璃纤维( 简称 F R P ) 均采用 S H E L L 1 8 1 单元 ， 对所采 用的单元做如下简要介绍 ： ( 1 ) 混凝土 S OL I D 6 5单元 S O L I D 6 5单元是 A N S Y S中专 为抗压 能力 远大 于抗 拉能力诸如混凝土 、 岩石等非 均匀材料开发 的单元 。 它既 可以模拟混凝土中加强材料 ( 钢筋 、 玻璃纤维 ， 型钢等 ) ， 也 可以模拟此 类材 料 的开裂 、 蠕 变 、 压 碎等 现象 。 S O L I D 6 5 单元 是 改进 S O L I D 4 5单元 而成 的三维八 节点 六面体 单 元。 主要增添 了两个主要部分 ： 一是针对混凝 土的性能引 入了 Wi l l a mWa mk e五参数破坏 准则 ， 对混凝 土性能 的 描述更加准确 。 二是采用整体式模型 ， 将加筋混 凝土视为 均匀连续材料 ， 采用统一 的刚度 矩阵 ， 在一定范 围 内可 以 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 更好地进行加筋混凝土的非线性分析。 ( 2 ) S h e l l l 8 1 单元 采用 S h e l l 1 8 l 壳单 元模拟 管芯混凝土 内侧 的树脂 层 及管芯混凝土外侧的预应力玻璃钢层 。 S H E L L 1 8 l 单 元不 仅具有弯曲及薄膜效应 ， 也包含 了横 向剪切 变形。 本单 元 有 4个节点 ， 每个节点具有 6个 自由度 ： 沿节点坐标系 x、 Y、 z方 向的平动和沿节点坐标 系 x、 Y、 z轴的转动。 2 材料及其参数 材料参数如下 ： 裂缝张开剪力传递 系数 卢 = 0 5 ， 裂缝 闭合剪力传递 系数 卢 。 =1 ， 不考虑混凝 的压碎 ， 其他参 数如表 1 所示 。 表 1 多基 复合材 料材 料参 数 混凝土 合比为： 水胶比0 _ 3 4 ， 砂率 3 7 ， 不掺加速凝剂 ， 减水剂掺量为 O 5 ， 膨胀剂掺量为 1 0 ， 具体 l ： 艺 参号义献 6 3 管道 吊装过程 中混凝土开裂性 能数值模拟 3 1 计算模 型 根据试验条件建立有限元模 型， 吊装模型沿长度方向 取 5 m， 取 l ， 4模型 ， 有限元模 型及结构层分别如 图 l 和 2 所 示 ： 3 2 有限元分析 ( 1 ) 加载步骤 根据吊装条件施加荷载及约束， 其施加顺序如下， 图3 为加载后 的模型图。 第一步： 加 自重 ； 第二步 ： 施加约束 ： 管道上部沿径 向面固定 ， 两个剖面 加对称约束 钢板 。 F R P I 衬 图 1 管 道结构 图 图 2吊装模拟模型 ( 2) 混凝土开裂分析 汁算结果如图4所示 ： 图 3 管道加载后模型图 图 4 吊装 混凝 土开裂 模拟 结果 本试验配合 比及养护 条件 下的混凝土住上述加载 条 件下 吊装 ， 没有出现开裂现象 ， 说 明仅考 虑混凝土 的裂 性能 ， 此条件下多基复合管的吊装是安全的。 4平 压及 内水压 试 验 数 值 模 拟 以上计算表明吊装过程中混凝土不会出现裂缝 。 在吊 装完成后 ， 需要考虑混凝土在使用 过程 叶 I 的长期性 能， 即 保证混凝土在后期 使用 中， 在外 力作用 下不 出现 歼裂现 象。 由于条件有限， 内水压试验很难无法完成 ， 平压 试验也 比较耗费人力物力和时间 ， 所 以试图通过数值模拟 为工程 应用提供依据 。 4 1 预 应 力层 的模 拟 4 1 1 预应力的计算 多基复合管用预应力玻璃钢层代替预应力钢筋 ， 预应 力的大小通过等效荷载法折算得出 ， 玻璃 钢层环 向预应力 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 的大小 可以用式( 1 ) 表示 ： r ，= = 一 l l 式中： F P c C P管用预应力钢筋 的最小抗拉 强度标准 值 ， MP a ， 本研究取为 l 5 7 0 MP a ； A， P c c P管 用 预 应 力 钢 筋 的 单 筋 截 面 面 积 ， mm ， 本研究取钢筋直径为 7 m m； 6 P c cP管用预应力钢筋 的间距 ， mm， 本研究取 为 2 0 mm； A ， 多基复合材料管预应力玻璃钢 层的等效截面 面积 ， mi l l ； 多基复合材料管预应力玻璃钢层的厚度 ， 本研 究取为 1 0 mm。 由以上计算式结合 沦文实 际情况 可得 出玻璃 钢层环 向预应力 为 2 l 1 3 6 5 MP a 、 4 1 _ 2 预应力的模拟 对于多基复合管来说 ， 其预应力层分析最重要 的问题 就是如何施加 预应力 ， 预应力 的施加 总体 二 可 以分为两 类 ： 一类是“ 等效荷载法” ， 即将等效于预应 力筋作用 的荷 载施加于混凝土结构上 ； 另一类是“ 实体力筋法 ” ， 即将混 凝土实体单元和预应力筋分开来 ， 分别采用合适 的单元模 拟 。 本研究建模及单元选取时把混凝土层和预应力玻璃 钢层 分开考虑的 ， 所以适合选择 “ 实体力筋法” 。 “ 实体 力 筋法 ” 施加预应力也有两种方法 ； 一种是初始应变法 ，一 种 是降温法 。 结合工程实际资料及降温法的优点 ， 本研究 采用 降温法。 温降值 是利用预应力玻璃钢层 降温产生 的环 向线应 力与等效荷载法求得环 向预应力相等 的原则建立 的， 如下 式所示 ： AT=o - c E ( 2 ) 式 中： r ， 预应力玻璃钢层的环 向预应力大小 ； 预应力玻璃钢层 的环 向弹性模皱 ； O L 玻璃钢环向线膨胀系数。 根据上式计算得到 的降温值为 1 0 8 4。 4 2 计算模 型 根据试验 条件建立有 限元模 型， 内水压 试验取 l ， 4模 型 ， 平压试验取 整模型建立 有限元模 拟 ， 模 型分 别如 图 5 和 6所 示 。 图 5 内水 压试 验数 值模 拟模 型 4 3有限元 分析 4 3 1 平压试验混凝土开裂分析 2 4 ( 1 ) 加载步骤 根据管道的制作及实际试验 条件施加荷载及约 束， 其 施加川 哽 序如下 ： ， 图6 平压试验数值模拟模型 第一步 ： 施 加预应 力。 通过 降温法 施加预 应力倚载 。 预应力损失不予考虑； 第 二步 ： 加 自重 ； 第 _ 三 步： 施加外载。 外荷载作为线荷载施加在结构顶部 ； 第【 兀 j 步 ： 结构底部施加 固定约束 试验模拟如图 7平压试验加载后的模型所示。 图 7平压试 验加 载后 的模 型 ( 2 ) 混凝土开裂分析 图 8为多基复合管 的裂缝扩展图 8 ( a ) ( f ) 为裂缝的 扩展过程。 外压分别为： 3 1 5 、 3 2 0、 3 5 0 、 4 0 0 、 4 5 0 、 5 0 0 t m m降 f 可知当外压为 3 l 5 t m 时开始出现裂缝 ， 裂缝首 先 出现在管顶内侧 ， 增火压力剑 3 2 0 t m 时， 管底内侧 也出 现裂缝 ， 随着压力 的增大， 裂缝先在管顶沿径 向向外扩展 ， 然后在僻底沿径 向向外扩展 ， 交待进 行， 直 到箭道完 伞破 坏 。 据此 f 叮 知 ， 最大 町承受外压为 3 1 5 t m 4 3 2 内压试验混凝土开裂分析 ( 1 ) 加载步骤 根据管道的制作 及实 际试 验条件 ( 管子长 3 m， 直 放置在刚度无 限大 的台座上 ， 台廊 底部 不容许沿 环 向转 动 ， 外有钢套筒 的约束 ， 内压通过打气 实现) 施加衙载及约 束 ， 其施加顺序如下 ： 第一步 ： 施加预 应 力。 通 过 降温法施 加预 力倚 载。 预应力损失不予考虑 ； 第二步 ： 加 自 ； 第 步 ： 静水压和内压； 第四步 ： 两侧边施加埘称约束， 底部固定 。 试 验模拟如图 9【大 J 试验加裁 的模型所永。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ( d ) ( b ) ( e ) ( t J 图 8 多基复合管的裂缝扩展图 土用于多基复合管时， 多基复合管在吊装过程 中不会发生 因混凝土开裂而导致 的管道破坏 ； ( 2 ) 多基复合 管在使用过程 中 ， 通过 A N S Y S模拟平 压试 验 和 内 压 试 验 ， 得 到 混 凝 土 的 开 裂 极 限 外 压 为 3 1 5 t m， 开裂极限内压为 1 3 MP a 。 ( 3 ) 不论是平 压试验还是 内压试验的模拟均表明多基 复合管用混凝土的开裂沿管道径向展开。 0 5 o o E + o 7 0 ，5 0 1 E + 0 7 0 5 0 1 E + 0 7 0 5 0 2 E + 0 7 0 5 0 3 E + 0 7 05 0 0 E + 0 7 0 5 0 1 E + 0 7 05 0 2 E + 0 7 0 5 0 2 E + 0 7 0 5 0 3 E + 0 7 图 9 内水压试验加载后的模型 ( 2 ) 混凝土开裂分析 图 1 0为多基 复合 材料管 的 裂缝扩 展 图， 图 1 0 ( a ) 、 ( b ) 【 冬 1 管内压力分别为 1 2 5 、 1 3 MP a 。 ( a l ( b ) 图 1 0多基复合管平压试验裂缝扩展图 由图可知 ： 混凝土层在 内压为 1 2 5 MP a 时没有裂缝 ， 当内压增 大到 l _ 3 MP a时混凝土径向出现裂缝 ， 且径 向全 部 出现裂缝 。 据此可知 ， 最大可承受 内压为 1 3 MP a 。 由内压试验及平压试验可见 ： 多基 复合管 的内水压及 平压试验模拟的结果表 明混凝土的开裂均沿管道径向展开。 5 结 论 ( 1 ) 本研究所用特定配合 比及养护条件下得到的混凝 参考 文献 ： 1 范晓明， 李卓球， 宋显辉， 等 混疑土裂缝自修复的研究进展 J 混 凝土与水泥制品， 2 0 0 6 ( 4 ) 2 池远东， 金南国 ， 金贤玉， 等 昆 凝土环收缩开裂试验研究及理 论预测 J 混凝土与水泥制品， 2 0 0 6 ， 1 4 ( 2 ) ： 1 4 3 郑翥鹏 ， 郑建岚 平板法试验研究高强与高性能混凝土抗裂性 能 J 厦门大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 6 ： 2 4 刘伟， 高维成， 于广滨 A N S Y S 1 2 0宝典 M 北京： 电子工业 出版社 ， 2 O L O ( 7 ) 5 郝文化 A N S Y S 土木工程应用实例 M 北京： 中国水利水电 出版社 ， 2 0 0 5 ( 1 ) 6 曹源， 郑立霞 ， 张小玉 制备工艺对混凝土抗压强度影响的试 验研究 J 混凝土 ， 2 0 1 4 ( 9 ) 7 熊欢 南水北涸超大口径 P C C P预应力分析模型与试验研究 D 北京 ： 清华大学 第 一作 者 联 系地址 联 系电话 曹源( 1 9 8 7一) ， 女 ， 硕士研究生 ， 主要研究方 向为混凝 土及其结构。 重庆市永川区昌州大道东段 8 0 1 号 重庆水利电力职 业技术学院( 4 0 2 1 0 6 ) I 3 3 6 8 2 7 71 02 2 5 - 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m