【摘 要】
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钢丝缠绕增强聚乙烯管(以下简称PSP管)是一种性能优异的复合管。PSP以高强度钢丝左右缠绕形成网状骨架为增强体,以高密度聚乙烯为基体,用粘接树脂将增强体和内外基体紧密粘接成为一体。这种特殊的结构使PSP管不仅具有钢丝的高强度,还具有塑料管的耐蚀性等特点,又比金属板作为增强体材料的复合管更加轻便。近来年,PSP管生产效率高,综合性能优越,已广泛运用于各种市政工程和工业运输。目前,对于PSP管的研究还
【基金项目】
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国家自然科学基金“基于非线性黏弹性内聚力理论的钢丝增强塑料复合管粘结界面渐进损伤失效行为及其机理研究”(项目编号:51805378); 武汉市科技局应用基础前沿项目“极端承载条件下钢丝增强复合管失效模式转变机制与寿命预测方法研究”(项目编号:2019010701011417); 湖北省科技厅自然科学基金青年项目“钢丝缠绕增
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钢丝缠绕增强聚乙烯管(以下简称PSP管)是一种性能优异的复合管。PSP以高强度钢丝左右缠绕形成网状骨架为增强体,以高密度聚乙烯为基体,用粘接树脂将增强体和内外基体紧密粘接成为一体。这种特殊的结构使PSP管不仅具有钢丝的高强度,还具有塑料管的耐蚀性等特点,又比金属板作为增强体材料的复合管更加轻便。近来年,PSP管生产效率高,综合性能优越,已广泛运用于各种市政工程和工业运输。目前,对于PSP管的研究还集中在管材本身的性质与优化,对埋地下PSP的力学行为的研究还处于起步阶段,相关研究也仅有单一载荷作用,且现有针对钢管、PE管的研究成果并不能直接套用于PSP管。为了提高埋地PSP管的安全性,本文在国家自然科学基金“基于非线性黏弹性内聚力理论的钢丝增强塑料复合管粘结界面渐进损伤失效行为及其机理研究”(项目编号:51805378)的支持下,利用有限元法开展了占压与沉降两种载荷下PSP管的失效行为研究,讨论各类因素对PSP失效行为的影响,并以此提出埋地PSP管的强度评估方法。本文主要的研究工作如下:(1)以Drucker--Prager模型作为土体的基本模型,建立有限元模型,并采用第四强度理论作为PSP管的失效判据,以钢丝的强度极限作为失效判断准则,确定极限载荷条件。(2)占压载荷下,土体对PSP管截面的挤压作用是导致管材失效的主要原因;随着占压载荷的增大PSP管所受应力也随之增大,但最大应力所在位置保持不变,出现在占压区中心下方管道内层钢丝的起拱线处。埋地PSP管失效时的占压载荷与占压区长LT、占压区宽WT、管道内压成反比,与管道埋地深度成正比。(3)沉降载荷下,埋地PSP管发生严重拉伸变形,管道在过渡区的变形呈“S”型;PSP管所受应力随着沉降位移的增大而增大,但危险点的位置保持不变,出现在沉降区和过渡区交界处管道下表面的内层钢丝、过渡区和非沉降区交界处上表面的内层钢丝;埋地PSP管失效时所受沉降载荷与过渡区的长度成正比与管道内压呈反比,管道埋深反而对沉降载荷影响不大。(4)提出了两种典型复杂载荷下埋地PSP管的强度评价方法。占压作用下,选择占压载荷和占压区长LT、占压区宽WT三者之间的空间关系曲线作拟合为失效方程;沉降作用下,选取沉降载荷和过渡段长度的关系曲线拟合为失效方程。得到失效载荷方程,若根据判定方程成立,则可判定此时载荷处于PSP管的承载范围之内,管道能继续安全使用,否则PSP管存在安全隐患,需要进行及时的排查。
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