论文部分内容阅读
在国内,预应力钢筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe,简称PCCP)的数值仿真分析几乎为空白,而国外也处于起步阶段。本文首次对PCCP管的制造、施工安装和运行的全过程进行了全方面的数值仿真分析,从管道裂缝开展、应力分布特征等方面论述了PCCP管的优越性,并分析了管芯徐变对管道的影响,这一点填补了国外在这方面研究的不足。(1)计算步骤与分析内容。依次施加预应力、管自重、回填土压、流体自重及内水压力等荷载进行数值计算。分析了PCCP管的变形、应力、裂缝、开裂前后应力变化特征以及徐变效应。(2)PCCP管的变形。在钢丝的紧箍作用下首先发生收缩,内水压力作用之前,发生椭圆形变形,内水压力作用过程中,管体膨胀,有恢复圆形的趋势。(3)裂缝扩展过程。腰部砂浆较早开裂,随着内水压力的增大砂浆开裂面积向两侧扩展;外层管芯混凝土的管腰部位比其它部位较早开裂,并随着内水压力的增大开裂向两侧扩展、向深处延伸;内层管芯管顶及包角处基本为一次裂通。(4)应力变化规律。内层管芯内、外侧及外层混凝土内侧环向应力变化规律相似,而外层管芯的外侧与砂浆保护层相似;预应力使管芯与钢筒中产生环向预压应力,钢丝中产生轴向拉应力;在回填土压作用过程中,钢丝拉应力在管顶、管底减小而在管腰增大,内层管芯及外层管芯内侧在管顶、管底处压应力减小而在管腰处增大,外层管芯外侧及砂浆变化过程相反;内水压力使PCCP管中的拉应力增大,而压应力减小。(5)开裂后应力突变现象。管芯裂缝出现后,裂缝处的结构应力都发生重分配,管芯在裂缝位置拉应力释放,在靠近裂缝的位置由受压突变为受拉,而远离裂缝的位置压应力突增;钢丝在管腰突增而在管顶与包角突减;钢筒在裂缝处拉应力突增,发挥了钢材的抗拉性能,充分体现了这种复合管材的优越性。(6)徐变效应。徐变使PCCP管进一步发生椭圆形变形;同时使结构应力发生重分布,主要体现在:管芯自身应力重分布,管顶、管底和包角内侧以及管腰外侧压应力增大,延后受拉,而其它特征部位压应力减小,提前受拉;结构间的应力重分布,钢丝拉应力减小,钢筒压应力增大,内、外层管芯的内侧腰部压应力减小,可见部分内水压力转由管腰部位的混凝土来承担,这对PCCP管是不利的。