裂縫與斷絲對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管的結(jié)構(gòu)安全性影響研究.pdf

1、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，簡(jiǎn)稱PCCP）自上世紀(jì)八十年代末引進(jìn)中國(guó)，以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和優(yōu)異的工作性能，廣泛應(yīng)用于水利、市政、電力等多個(gè)領(lǐng)域。目前，國(guó)內(nèi)PCCP處于發(fā)展階段，且對(duì)PCCP結(jié)構(gòu)聯(lián)合承載能力的研究尚不成熟，特別是PCCP在制造過(guò)程、養(yǎng)護(hù)環(huán)境、放置環(huán)境以及運(yùn)行環(huán)境的影響下，結(jié)構(gòu)本身會(huì)產(chǎn)生裂縫、斷絲甚至爆管，這些問(wèn)題不但影響PCCP的承載能力甚至發(fā)生工程事故，研究裂

2、縫與斷絲對(duì)PCCP結(jié)構(gòu)安全性影響具有重大的理論意義與現(xiàn)實(shí)必要性。
　　 本文歸納了國(guó)內(nèi)外PCCP的研究現(xiàn)狀以及結(jié)構(gòu)理論與設(shè)計(jì)方法，基于有限元的非線性分析和破壞準(zhǔn)則，使用ABAQUS軟件，針對(duì)裂縫與斷絲對(duì)PCCP安全性的影響進(jìn)行了研究，在以下幾個(gè)方面取得了一些進(jìn)展:
　　 1.根據(jù)PCCP裂縫的分類以及其產(chǎn)生的原因，采用現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)和有限元法模擬方法，研究裂縫對(duì)PCCP結(jié)構(gòu)安全性的影響。
　　 (1)根據(jù)三點(diǎn)法原型

3、承載試驗(yàn)結(jié)果，研究了管芯外側(cè)帶有縱向裂縫的2m管和4m管在外荷載作用下的破壞規(guī)律。通過(guò)分析研究發(fā)現(xiàn)，2m管在外壓加載到設(shè)計(jì)抗裂外壓荷載的1.4倍過(guò)程中，管道均未出現(xiàn)可見(jiàn)裂縫;4m管在外壓加載到設(shè)計(jì)抗裂外壓荷載的1.3倍出現(xiàn)可見(jiàn)裂縫。
　　 (2)結(jié)合原型承載試驗(yàn)中2m管和4m管的縱向裂縫分布，用ABAQUS對(duì)直徑2m和直徑4m的PCCP建立有限元模型，研究了在不同外荷載作用下PCCP的受力狀態(tài)。通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，裂縫尖端處應(yīng)力變

4、化明顯，尤其是混凝土和砂漿，并在裂縫持續(xù)擴(kuò)展和彎矩重分布作用下，管道承載主體由混凝土向鋼筒和鋼絲轉(zhuǎn)變，防止管道過(guò)早受壓破壞;混凝土和砂漿變化較穩(wěn)定，但大管徑PCCP的應(yīng)力變化較為明顯，與原型試驗(yàn)規(guī)律一致。
　　 (3) PCCP廠家內(nèi)水壓試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在端口首先出現(xiàn)縱向裂縫，并隨內(nèi)壓增大而延伸，為研究這一現(xiàn)象，用ABAQUS有限元法對(duì)直徑2m的PCCP建立有限元模型，減小管端處鋼絲纏繞間距，對(duì)比分析在內(nèi)水壓作用下插口端應(yīng)力變化。研

5、究發(fā)現(xiàn)砂漿的應(yīng)力變化較大，采用減小管端鋼絲纏繞間距的方法可以有效地減小插口端裂縫的產(chǎn)生，但隨著間距的持續(xù)減小，插口端應(yīng)力變化幅度較小，效果不明顯。
　　 2.基于對(duì)PCCP斷絲事故和影響因素分析，用ABAQUS對(duì)直徑4m的PCCP進(jìn)行模擬，分別從斷絲比例不同和斷絲區(qū)域個(gè)數(shù)不同研究斷絲對(duì)PCCP結(jié)構(gòu)安全性的影響。
　　 (1)單個(gè)斷絲區(qū)在斷絲比例為5％、10％、15％、20％時(shí)，分析對(duì)比PCCP的應(yīng)力狀態(tài)。在外荷載作用下，

6、隨著斷絲比例增加，PCCP管道的承載能力逐漸減小，混凝土管頂和管底內(nèi)表面和斷絲區(qū)砂漿外表面最易開(kāi)裂;斷絲對(duì)砂漿的影響更為明顯，不利于管道外側(cè)裂縫控制和防腐;此外隨著斷絲比例的增加，鋼筒受力越加不均勻，很容易導(dǎo)致鋼筒和混凝土表面脫離，造成PCCP破壞;斷絲區(qū)相鄰鋼絲管腰處受力較大，很容易發(fā)生斷裂，隨著斷絲比例的增加PCCP的承載能力也隨之降低。
　　 (2)斷絲總比例為20％時(shí)，設(shè)置兩個(gè)斷絲區(qū)，分別位于管身1/3處、2/3處，分析

7、對(duì)比斷絲區(qū)不同時(shí)，PCCP的受力狀態(tài)變化。多個(gè)斷絲區(qū)比單個(gè)斷絲區(qū)更危險(xiǎn)，對(duì)管道的承載能力影響較大，管道受力更不均勻，混凝土、砂漿、鋼筒各斷絲區(qū)附近受力較集中且應(yīng)力偏大，一旦兩個(gè)相鄰的斷絲區(qū)形成一個(gè)大范圍的斷絲區(qū)，將導(dǎo)致PCCP結(jié)構(gòu)的整體破壞。
　　 由于PCCP結(jié)構(gòu)的特殊性，一定程度上裂縫和斷絲對(duì)PCCP的結(jié)構(gòu)安全性影響不大，但PCCP斷絲發(fā)生后，會(huì)加速管道破壞，產(chǎn)生更多的裂縫，進(jìn)一步增加危害性，應(yīng)當(dāng)及時(shí)采取有效的工程措施，控制