不同断丝比例对PCCP内外压承载能力影响研究.pdf

第 卷 第 期 年 月人 民 长 江.收稿日期:基金项目:国家自然科学基金重点项目()江苏省高等学校基础科学(自然科学)研究项目()重庆市自然科学基金创新群体项目()作者简介:孙岳阳男讲师博士主要从事混凝土管道受力性能研究工作 :.文章编号:()引用本文:孙岳阳卢勇胡少伟等.不同断丝比例对 内外压承载能力影响研究.人民长江():.不同断丝比例对 内外压承载能力影响研究孙 岳 阳卢勇胡 少 伟黄 逸 群(.苏州科技大学 土木工程学院江苏 苏州 .中海建筑有限公司广东 深圳 .重庆大学 土木工程学院重庆 .福建工程学院 土木工程学院福建 福州)摘要:为探究断丝后预应力钢筒混凝土管()的内、外压承载能力基于宁夏一输调水工程在役超大口径建立了内、外压计算模型分析管身中部不同比例断丝对砂浆保护层、混凝土管芯、钢筒和预应力钢丝等各部位失效的影响 研究结果表明:在内压作用下断丝 的砂浆保护层、管芯和钢筒均在断丝区域出现应力集中且随着断丝比例的增加管芯、钢筒和预应力钢丝进入塑性时的内压值逐渐减小当断丝比例超过 时砂浆保护层进入塑性时的内压值趋于稳定断丝比例超过 时混凝土管芯进入塑性时的内压值趋于稳定 在外压作用下完好管和断丝管的砂浆保护层进入塑性时的外压值基本一致断丝管混凝土管芯进入塑性时的外压值随断丝比例变化较小但明显比完好管低 当断丝比例小于 时钢筒进入塑性时的外压值随断丝比例的增加基本呈直线下降超过 后外压值基本恒定 对于预应力钢丝当断丝比例小于 时其进入塑性时的外压值随断丝比例的增加基本呈线性变化超过 后外压值基本恒定且与钢筒进入塑性时的外压值一致 研究成果可为 出现断丝后的安全评估和除险加固提供依据关 键 词:内压 外压 断丝比例 塑性中图法分类号:.文献标志码:./.引 言预应力钢筒混凝土管()是由砂浆保护层、混凝土管芯、钢筒和预应力钢丝组成的复合结构 它有两种结构型式:内衬式钢筒的内侧是混凝土管芯预应力钢丝直接缠在钢筒外砂浆保护层最后喷射在预应力钢丝上如图()所示 埋置式钢筒埋置在混凝土管芯内将管芯分为内管芯和外管芯预应力钢丝缠绕在外管芯上最后喷射砂浆保护层如图()所示 充分利用了混凝土及砂浆的抗压、抗腐蚀性能和钢材的抗拉、密封性能具有高工压、深覆土、成本低、寿命长等优点已成为远距离、跨流域调水工程中的优选管材图 结构示意.通过缠绕 的高强预应力钢丝使混凝土管芯受到一个初始的预压应力从而抵消部分内水压力 预应力是整管强度的保证一旦断丝整管承载能力将下降存在爆管风险 年 对 中钢丝断丝的原因进行了分析 第 期 孙岳阳等:不同断丝比例对 内外压承载能力影响研究年 对一个工程中的每根 进行了断丝风险的分析和评估 对断丝 的失效因素、失效模式和失效机理进行了研究提出了一个预测断丝管承载性能的分析计算模型 引进国内后 年胡少伟 通过超大口径断丝 原型试验和数值模拟探究了不同数量断丝对 结构性能的影响规律 熊欢 建立了考虑钢丝和管芯混凝土接触作用的缠丝和断丝模型研究了断丝管的承载能力并采用现场试验进行了对比验证建立了一个简化模型对断丝引起的 纵向断裂的机理进行了探讨 胡少伟等建立了实际埋置条件下的 有限元计算模型探究了不同比例断丝对 内水压承载能力的影响规律鉴于对断丝 进行内、外压原型试验耗费巨大本文结合宁夏盐环定输调水工程中使用的超大口径 建立完好管和断丝管计算模型模拟完好管和管身中部不同比例断丝(内压作用下为 外压作用下为)的 在内、外压作用下加载至破坏的全过程以揭示管身中部不同比例断丝对砂浆保护层、混凝土管芯、钢筒和预应力钢丝等各部位失效的影响规律为 出现断丝后的安全评估和除险加固提供依据 模型建立.几何尺寸及材料参数该工程使用的是埋置式 具体几何尺寸如下:管长 内径 钢筒外径 管芯厚度 保护层厚度 钢筒厚度钢丝直径 缠丝间距 建模时管芯混凝土和保护层砂浆均采用实体单元 模拟钢筒属于薄壁结构采用薄壳单元 单元模拟预应力钢丝采用梁单元 模拟 各部位建模时采用分离式模型单独建模假设各层之间为完全接触不产生相对滑移和脱空 混凝土和保护层砂浆均采用塑性损伤模型()预应力钢丝和钢筒看作理想弹塑性体相关材料参数如表 所列表 材料参数.混凝土强度等级砂浆强度等级钢筒弹性模量设计值/钢筒强度设计值/钢丝弹性模量设计值/钢丝强度设计值/缠丝拉力/.荷载施加计算模型均考虑管体的自重采用等效降温法模拟钢丝的预应力 内压计算模型在 管芯内部施加均布荷载如图()所示 外压计算模型则采用三点式加载方式通过位移施加外压如图()所示图 荷载施加.断丝模拟常见的预应力钢丝通常根据缠丝间距采用一圈一圈钢丝单独建模而实际 中预应力钢丝是一根钢丝等距地缠绕在带有钢筒的混凝土管芯上 为了更符合实际本文根据 尺寸参数建立螺旋线方程再将其导入有限元软件中生成预应力钢丝缠丝模型如图()所示在给钢丝降温施加预应力后使用有限元软件中的“型号改变”功能使计划断丝区域的预应力钢丝单元失效施加预应力后的断丝效果如图()所示图 断丝模拟.内压计算结果与分析.各部位起始失效位置为得到不同内压下 各部位的受力变化情况拟加载内压至 观察加载过程中完好 和不同比例断丝 砂浆保护层、混凝土管芯、钢筒和预应力钢丝等各部位的应力应变状态完好管的砂浆保护层、混凝土管芯、钢筒和预应力钢丝开始进入塑性时的最大塑性主应变如图 所示对于断丝管以中部断丝 为例砂浆保护层、混凝土管芯、钢筒和预应力钢丝开始进入塑性时的最大塑性主应变如图 所示由图 和图 可知在内压作用下完好管的砂浆 人 民 长 江 年图 内压下完好管各部位进入塑性时的最大塑性主应变.图 内压下断丝管各部位进入塑性时的最大塑性主应变.保护层、混凝土管芯、钢筒和预应力钢丝都在管身中部最先进入塑性断丝管的砂浆保护层、混凝土管芯和钢筒则在断丝区域最先进入塑性预应力钢丝则在断丝区域两侧最先进入塑性.破坏过程分析在内压作用下 受力过程可以分为 个阶段:预应力钢丝环向作用阶段、混凝土管芯弹性阶段、混凝土管芯进入塑性阶段、钢筒和预应力钢丝屈服阶段 以 断丝 计算结果为例分析内压作用下 各部位的受力破坏情况第 阶段为预应力钢丝环向作用阶段 此时内压对混凝土管芯产生的拉应力不足以抵消预应力钢丝使管芯产生的预压应力 各部位都处于弹性阶段以混凝土外管芯为例此阶段的最大主应力分布如图()所示管芯全部受压 第 阶段为混凝土管芯弹性阶段 预应力钢丝使管芯产生的预压应力已经逐渐不能抵消内压对混凝土管芯产生的拉应力断丝区域的管芯混凝土由初始的受压转变为受拉但仍处于弹性阶段此阶段混凝土外管芯的最大主应力分布如图()所示断丝区域的拉应力较其他区域大 第 阶段为混凝土管芯进入塑性阶段 图()为该阶段中部 断丝混凝土外管芯的最大主应力云图断丝区域的管芯混凝土最先进入塑性 第 阶段为钢筒和预应力钢丝屈服阶段即管道破坏阶段 此阶段两者的最大主应力分别如图()和图()所示 断丝区域处的钢筒最先进入屈服预应力钢丝则在断丝区域两侧最先屈服图 内压下 断丝管破坏过程(单位:).断丝率影响分析各级内压下完好 和中部不同比例断丝 各部位进入塑性时所对应的内压值见表 表 不同比例断丝 各部位进入塑性时的内压.断丝比例/砂浆保护层/混凝土管芯/钢筒/预应力钢丝/.第 期 孙岳阳等:不同断丝比例对 内外压承载能力影响研究 根据表 数据可以得到各部位进入塑性时所对应的内压值随断丝比例的变化曲线如图 所示图 各部位进入塑性时的内压值随断丝比例的变化曲线.由图 可知当断丝比例超过 砂浆保护层进入塑性时的内压值不随断丝比例的增加而变化均在.进入塑性说明一旦出现断丝相比完好管断丝管的砂浆保护层在内压的作用下将更早地进入塑性 当断丝比例小于 随着断丝比例的增加混凝土管芯进入塑性时的内压值逐渐减小且基本呈线性变化在断丝比例超过 后混凝土管芯进入塑性时的内压值基本恒定 随着断丝比例的增加预应力钢丝进入塑性时所对应的内压值逐渐减小在断丝比例超过 之后减小速度明显变缓 各个断丝比例下钢筒进入塑性时的内压值均小于预应力钢丝进入塑性时的内压值说明随着内压的增加钢筒都先于预应力钢丝屈服 同样随着断丝比例的增加钢筒进入塑性时的内压值也逐渐减小且在 断丝比例后内压值减小速度明显变缓趋于稳定 外压计算结果与分析.各部位开始破坏的位置分析为研究 在外压作用下的破坏规律使用三点法加载方式观察加载过程中完好管和断丝管各部位的受力状态 对比完好管和断丝管各部位的最大塑性主应变云图可以得到各部位的起始失效位置在加载过程中完好 的砂浆保护层、外管芯、内管芯、钢筒和预应力钢丝进入塑性时的最大塑性主应变如图 所示对于断丝管以中部断丝 为例砂浆保护层、外管芯、内管芯、钢筒和预应力钢丝进入塑性时的最大塑性主应变如图 所示由图 和图 可知外压作用下完好管和断丝管的砂浆保护层、外管芯和预应力钢丝都是从端部管腰图 外压下完好管各部位进入塑性时的最大塑性主应变.图 外压下断丝管各部位进入塑性时的最大塑性主应变.处开始进入塑性而钢筒和内管芯则从管顶、管底端部开始进入塑性.破坏过程分析同样在外压作用下 受力过程也可以分 人 民 长 江 年为以下 个阶段:预应力钢丝环向作用阶段、混凝土管芯弹性阶段、混凝土管芯进入塑性阶段、钢筒和预应力钢丝屈服阶段 以 断丝 计算结果为例分析外压作用下 各部位的受力破坏情况第 阶段为预应力钢丝环向作用阶段 此时外压对混凝土管芯产生的拉应力不足以抵消预应力钢丝使管芯产生的预压应力 各部位均处于弹性阶段以混凝土外管芯为例此阶段的最大主应力分布与图()施加内压前一致 第 阶段为混凝土管芯弹性阶段 当外压较小时管芯仍处在弹性状态此时预应力钢丝和钢筒的应力远小于相应的屈服强度此阶段外管芯的最大主应力分布如图()所示在管腰端部和断丝区域处的拉应力较其他区域大 第 阶段为混凝土管芯进入塑性阶段此阶段混凝土外管芯的最大主应力分布如图()所示最先在管腰处进入塑性 第 阶段为钢筒和预应力钢丝屈服阶段 随着外压继续增大钢筒和钢丝的拉应力相继达到屈服强度最大主应力分布分别如图()和图()所示 钢筒最先进入屈服阶段的位置在管顶和管底处预应力钢丝则在管腰处最先屈服图 外压下 断丝管破坏过程(单位:).断丝率影响分析各级外压下完好 和中部不同比例断丝 各部位进入塑性时所对应的外压值见表 根据表 数据可以得到各部位进入塑性时所对应的外压值随断丝比例的变化曲线如图 所示由图 可知砂浆保护层进入塑性时所对应的外压值随断丝率变化较小完好管与断丝管基本在 左右进入塑性 混凝土管芯在出现断丝后进入塑性时所对应的外压值随断丝比例变化较小但是完好管的管芯进入塑性时所对应的外压值明显比断丝管高 在断丝比例小于 时钢筒进入塑性时所对应的外压值随断丝比例基本呈直线下降在断丝比例超过 后基本在 左右进入塑性 对于预应力钢丝在断丝比例小于 时其进入塑性时所对应的外压值随断丝比例的增加基本呈线性变化超过 后外压值基本恒定且跟钢筒进入塑性时所对应的外压值一致表 不同比例断丝 各部位进入塑性时的外压.断丝比例/砂浆保护层/混凝土管芯/钢筒/预应力钢丝/图 各部位进入塑性时的外压值随断丝比例的变化曲线.结 论本文通过模拟 承受内压和三点法外压试验揭示了完好管和管身中部不同比例断丝管各部位的受力破坏规律主要结论如下:()在内压逐渐施加到 的过程中断丝 的砂浆保护层、管芯和钢筒都在断丝区域处产生应力集中 随着断丝比例的增加混凝土管芯、钢筒和预应力钢丝进入塑性时的内压值逐渐减小 对于完好管和断丝管钢筒都先于预应力钢丝进入塑性 一旦出现断丝相比完好管砂浆保护层将提前进入塑性且内压值不随断丝比例的增加而变化对于本文的模型都是在内压.时进入塑性()在外压加载的过程中不管是完好管还是断丝管砂浆保护层进入塑性时所对应的外压值基本一致 第 期 孙岳阳等:不同断丝比例对 内外压承载能力影响研究完好管的混凝土管芯进入塑性时所对应的外压值明显比断丝管高且断丝管的管芯进入塑性时所对应的外压值随断丝比例的变化较小 在断丝比例小于时随着断丝比例的增加钢筒和预应力钢丝进入塑性时所对应的外压值逐渐减小断丝比例超过 后外压值基本恒定且两者进入塑性时所对应的外压值一致参考文献:胡少伟.在我国的实践与面临问题的思考.中国水利():.:.:.:.():.().():.胡少伟.预应力钢筒混凝土管()结构承载安全评价理论与实践.北京:中国水利水电出版社.胡少伟沈捷.超大口径 内断丝对其承载能力影响研究.水利水电技术():.熊欢.南水北调超大口径 预应力分析模型与试验研究.北京:清华大学.():.:.胡少伟卢勇孙岳阳等.实际埋置条件下断丝对 内水压承载能力影响研究.混凝土与水泥制品():.关炜.南水北调工程关键技术研究进展.人民长江():.胡少伟孙岳阳薛翔等.预应力损失对 管道安全性影响研究.人民长江():.尚钦陶雷周冬妮.复合地基在吹填区地下埋管变形控制中的运用.人民长江(增):.中国国家标准化管理委员会.预应力钢筒混凝土管:/.北京:中国标准出版社.孙岳阳胡少伟乔艳敏等.内水压承载能力原型试验.哈尔滨工业大学学报():.孙岳阳胡少伟范向前等.外压承载能力原型试验.华中科技大学学报(自然科学版)():.(编辑:郑 毅)(.):().:.: