预应力钢筒混凝土管承插口数值仿真模拟方法.pdf

3 0 周理想 ， 张敏 ． 预应 力铜 筒混凝 土管承插 口数 值仿真模拟 方法 文章编号 ： 1 0 0 6 --2 6 1 0 ( 2 0 1 6 ) 0 3 —0 0 3 0 —O 4 预应 力钢筒混凝土管承插 口数值 仿真模拟 方法 周理想 ． 张 敏 ( 1 ． 广 东省 水利 电力勘 测设 计研 究院 ， 广 州 5 1 0 6 3 5 ； 2 ． 广 州市水务 规 划勘 测设 计研 究 院 ， 广 州 5 1 0 6 4 0 ) 摘要： 根据预应力钢筒混凝土管的结构型式及特点， 对预应力钢筒混凝土管( P C C P管) 管身混凝土、 钢筒、 预应力 钢丝以及承插口钢板进行了数值仿真模拟计算 ， 采用了 A N S Y S有限元进行计算 ， 对管身混凝土采用 S O L I D 6 5单元 模拟， 管道钢筒采用壳单元 S H E L L 6 3模拟， 管道承插 口钢板采用 s o l i d 1 8 5单元模拟， 预应力钢丝采用 l i n k 8单元模 拟。结合工程实例对 P C C P管道进行了分析。数值仿真分析合理， 具有实际意义。 关键词 ： P C C P ； A N S Y S ； 承插 口； 接触分析 中图分类号 ： T V 3 1 文献标识码 ： A D O I ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 6 — 2 6 1 0 ． 2 0 1 6 ． 0 3 ． 0 0 8 Nume r i c a l S i m u l a t i ng M e t h o d f o r Be l l a nd S pi g o t o f Pr e s t r e s s e d Cy l i n de r Co n c r e t e Pi pe ZHOU L i x i a n g ，ZHANG Mi n ( 1 ．G u a n g d o n g H y d r o p o w e r P l a n n i n g a n d D e s i g n I n s t i t u t e ， G u a n g z h o u 5 1 0 6 3 5 ， C h i n a ； 2 ．G u a n g z h o u Wa t e r P l a n n i n g I n v e s t i g a t i o n D e s i g n I n s t i t u t e ， G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n a c c o r d a n c e w i t h t h e s t r u c t u r a l t y p e and f e a t u r e s o f p r e s r e s s e d c y l i n d e r c o n c r e t e p i p e( P C C P ) ， t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i n g c a l c u l a - t i o n o n p i p e c o n c r e t e ， c y l i n d e r ， p r e s t r e s s e d s t e d wi r e an d b e l l — s p i g o t s t e e l p l a t e o f P C C P i s p e r f o r me d ．C alc u l ati o n i s c a r ri e d o u t b y a p p l i c a — t i o n of ANS YS fin i t e e l e me nt me t h o d．Th e b e l l -s p i g o t s t e e l p l a t e i s s i mu l a t e d b y S OLI D6 5 u n i t an d t h e pr e s t r e s s e d s t e e l wi r e b y l i n k 8 u ni t ． B a s e d o n t h e e n g i n e e r i n g p r a c t i c e ，analy s i s i s p e rf o r m e d ．I t i s r e aso n a b l e b y t h e n u me r i c al s i mu l ati o n a n d p r a c t i c al me a n i n g ． Ke y wo r d s： P C C P；AN S YS； b e l l an d s p i g o t ；c o n t a c t a n aly s i s 0前言 1 模拟方法 预应力钢筒混凝土管 简称 P C C P ) 以其特有的 新型组合结构优点 ， 在 中国长距离输水工程 中得到 越来越多地应用。在带钢筒 的混凝土管芯上缠绕环 向预应力钢丝并喷射水泥砂浆保护层 ， 钢筒是两端 有钢制承插式接 口环的钢简体 ， 管芯是钢筒放置混 凝土中间与管壁组成 的复合体。P C C P与一般 的混 凝土管相 比具有耐高压 、 耐腐蚀 、 密封性 能好 的特 点 ， 但是大 口径承插 式的管道对基础 的变形提 出了 更高的要求 ， 承插 口是管道结构中的薄弱环节 ， 本文 紧密结合实际工程 ， 通过有限元软件 A N S Y S对 P C - C P的承插 口模型的进行数值仿真分析具有一 定的 工程实际意义。 收稿 日期 ： 2 0 1 5 — 1 2 — 1 1 作者简介 ： 周理想 ( 1 9 8 4 一) ， 男 ， 江 西省瑞 昌市人 ， 主要从 事水 利工程规划及设计工作． 1 ． 1 管身 混凝 土的模 拟 混凝土材料是抗压性能强于抗拉性能 ， 在很小 的受拉应力状态下就会开裂 ， 当管道承插 口混凝土 在不均匀沉降或者超载等不利作用开裂后引起应力 的重新分布 ， 如何判 断混凝土开裂和模拟裂缝 是混 凝土结构分 析要解 决 的关键 问题之一 _ 1 j 。本 文对 于 P C C P管身混凝 土将用 A N S Y S的 S O L I D 6 5单元 进行模拟 。 在 A N S Y S软件中， 利用 S O L I D 6 5单元其特有 的 拉裂、 压碎的性能来模拟管道混凝土 的开裂 、 压碎 、 应力重分布等。利 用 S O L I D 6 5单元最重要 的方 面 在于其对材料非线性的处理 ， 这正是选用该混凝 土 单 元 来 模 拟 承 插 口开 裂 与 压 碎 的重 要 原 因 之 一 [ 2 一 一 该单元具有 8个节点 ， 每个节点有 3个 自由度 ， 见 图 1所 示 。 西北水 电 2 0 1 6年 第 3期 3 1 Z ▲ X／ Y P 图 l 管身混凝土 S O L I D 6 5单元几何模型 图 管身混凝土材料参数见表 1 ， 有关混凝土开裂 模拟 参数见表 2 。 表 1 管身混凝土的基本物理力学参数表 注 ： 利 用 A N S YS中 S o l i d 6 5单 兀 来 模 拟 混 凝 土 开 裂 ， 其 裂缝 『 司剪 力传递系数对管道管身混凝土 的有 限元分 析结果影 响较大 ， 一 般取 混凝土 的开 口裂缝剪力传递系数 Cl = 0 ． 2 5～0 ． 4 0 ， 闭合 裂缝 的剪力 传递系数 C 2 = 0 ． 9～1 ． 0 。 1 ． 2 管道钢简的模拟 对于一个三维实体结构的厚度方 向尺寸不大 ， 且 变形 是 以 翘 曲 为 主 时 ， 这 种 结 构 称 为板 壳 结 构 J 。由于 P C C P管道 内置钢简壁厚相对管材总壁 厚较薄 ， 钢筒正是上述这种板壳结构 ， 因此本文将利 用 A N S Y S中薄壁结构 的壳单元 S H E L L 6 3 [ 8 3 进行模 拟提高精度。虽然 S H E L L 6 3是二维 的几何形状 ， 但 是它是布置在三维的空问中， 所以板壳结构分析是 三维的 问题 而不是二维 的问题 。所 以在建模 时 ， 管道管芯钢筒实际上不用建立实体厚度 ， 只需要 在内衬混凝土中选择一个曲面并赋予厚度参数的壳 单元来模拟钢筒即可。 壳单元 S H E L L 6 3每个节点具有 6个 自由度 ： 沿 节点坐标系 、 y 、 Z方向的平动和沿节点坐标系 、 l ， 、 z轴的转动， 见 图 2所示 。 管钢筒材料参数见表 3 。 1 ． 3管道 承插 口钢 板 的模 拟 P C C P管 承 插 口钢 板 采 用 s o l i d 1 8 5单 元 模 拟 ， 其物理参数见表 4 。 图 2 管身钢筒 S H E L L 6 3单元几何模型图 表 3 钢 筒的基本 物理力学参数表 表 4承插 口钢板的基本物理力学参数表 1 ． 4 管道预应力钢丝的模拟 在 A N S Y S中对预应力混凝土的分析方法有很多 种 ， 这里简单介绍 2种 ： 分离式和整体式。分离式就 是将混凝土和钢筋分别考虑， 对预应力的模拟以施加 荷载的方式考虑 ； 整体式就是将管道混凝土和预应力 钢筋同时考虑。在 A N S Y S中可以用 l i n k 8单元模拟 预应力钢筋 ， 用降温法来模拟预应力有 2个优点 ： ① 模拟过程相对来说 比较简单 ， 仅通过设置实常数 即 可 ； ② 降温法可以模拟预应力的损失。降温法是利 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 。计算公式如下 ： 式中： F为需施加的荷载值 ； A t 为需施加的降温值 ； 4为预应力钢丝的截面面积 ； 为预应力钢丝 的线 膨胀系数 ； E为预应力钢丝的弹性模量 。 预应力钢丝物理参数见表 5 。 表 5 预应力钢丝的基本物理 力学参数表 1 ． 5 管道承插 口接触的模拟 接触分析已经成为现代有 限元模拟分析 的一个 重要组成部分 ， 模拟 2个物体之间接触关系 的能力 对于有限元仿真分析来说是非常关键的。本文所研 究的大 口径 P C C P管道承插 口分析就是此类接触问 题 ， 当管道在不均匀沉降的地 基中或者管道受力不