基于Abaqus的PCCP管道力學特性分析

陳紅剛

（大連理工大學工程抗震研究所，遼寧 大連 116024）

0 引言

預應力鋼筒混凝土管PCCP是近年在我國開始使用的新型管道材料，是一種技術先進的復合管，既具有混凝土壓力管的優點，又兼備鋼管優點，其結構安全合理，具有強度高，抗滲性好，耐久性強等優點，且價格較低。PCCP的綜合優勢十分明顯，在大口徑輸水管線選材時，已越來越顯示出其優越性和競爭力。

大伙房水庫輸水應急入連工程為跨流域調水工程，根據地理條件，需設兩座加壓泵站保證輸水完成。由此導致加壓泵站出口一定距離內屬高壓區范圍。管線長度約15 km范圍為1.4 MPa的高壓區，為此對管材適應性要求高，加之本工程輸水管徑為2.8 m，從而使輸水管的工作難度系數加大。在約15 km長度范圍這種工況在國內是僅有的工程。針對這種特殊的工段，建立有限元模型進行靜力計算，考慮施工期間不同埋深情況下，管內不受水壓力作用之后在正常運行期受到高壓水的作用情況下管體的受力狀況。

1 PCCP管道的靜力分析

對于長距離輸水管道，一般可以取某個截面進行分析時屬于平面應變問題。該文采用的計算模型寬度100 m，高度40 m，開挖區深度14 m。模型中四邊形單元采用了四節點平面應變單元（CPE4），三角形單元采用了三節點平面應變單元（CPE3）。土體的本構方程采用了修正的摩爾庫倫本構方程，考慮輸水管本身是預應力混凝土結構強度較高，發生塑性變形和屈服的可能性不大，故輸水管本身采用了線彈性材料。

在靜力計算分析中，對管道埋深分為2 m和8 m進行計算分析，來討論PCCP管道的應力分析規律。在大伙房水庫引水入連工程中，水壓力的最大設計值為1.4 MPa，在這么大的水壓力作用下輸水管管體應力很大，其中最頂端和最底端的應力較大，中部應力較小。在不考慮管體預應力的情況下管體的應力值較大，拉應力超過了混凝土的抗拉極限，而壓應力仍有富余，所以從這里可以看出預應力鋼筒混凝土管可以很好的發揮混凝土的力學性能，使材料得到充分的利用。

2 PCCP管道的參數敏感性分析

在計算中根據現實中管道埋深，取管道埋深分別為 2，3，4，5，6，7，8 m 進行計算。在計算中統一采用埋深為8 m的有限元模型，只是在計算別的埋深時將多余部分單元進行處理，即將其剛度和質量變為零，這樣在計算中就和沒用這部分的效果是相同的，可以大大減少前處理的工作量。

在計算埋深對管體應力的影響時假設管道不承受水壓力，僅受重力和周圍土體的作用。這樣可以排除其他因素的干擾，直接表現出筒體應力與埋深變化的關系，以便于得出有用的結論。見圖1，2。

由圖1，2可看出：埋深不同時，上部的土壓力對管道的壓力會相應的變化。對于不同的埋深，應力分布的規律基本一致，mises應力的最大值出現在通體的中部，最小值出現在筒體的頂部；環向應力的最大值（最大的拉應力）出現在筒體的最低點內側，而最小值（最大的壓應力）出現在筒體最低點是外側。隨著埋深的增加，環向應力和mises應力均增大，但是mises應力的增大速度要明顯大于環向應力，兩者隨埋深的增加呈線性關系增加。

圖1 mises應力隨埋深變化圖

圖2 環向應力隨埋深變化圖

PCCP設計中內水壓力是一個不可忽略的值，而PCCP正是由于能夠承受較高的水壓，以及良好的防滲性，得以在大口徑長距離輸水管道中體現出其優勢。由于實例工程輸水距離較遠，地質條件復雜，采用了加壓輸水的方法，在中途設置了兩座加壓泵站保證輸水完成。這就導致了部分管道要在高壓狀態下工作，而且部分區段的壓力較高。所以有必要對輸水壓力對管體應力的影響加以研究。為了簡化計算，采用了在3 m埋深時的模型對水壓力的影響進行了研究。水壓力的變化范圍從0.8～1.4 MPa。見圖 3，4。

圖3 mises應力隨水壓力變化圖

圖4 環向應力隨水壓力變化圖

由壓力對于輸水管道的影響非常明顯，最大mises應力和最大環向應力與靜水壓力基本呈現出正比的關系，而且比例系數非常大，也就是說隨著靜水壓力的增大，環向應力和mises應力增大的速度是非常快的。這說明靜水壓力對管道應力的影響非常明顯，在設計和施工過程中要作為主要荷載進行重點考慮。

3 結語

1）PCCP管道在工程應用中的應力分布規律。Mises應力的最大值出現在通體的中部，最小值出現在筒體的頂部；環向應力的最大值（最大的拉應力）出現在筒體的最低點內側，而最小值（最大的壓應力）出現在筒體最低點是外側；計算分析可以知道PCCP管道能很好的發揮混凝土的抗壓性能，在工程中需要注意其拉破壞情況。

2）對于不同的埋深，PCCP管道的應力分布的規律基本一致。隨著埋深的增加，兩者隨埋深的增加呈線性關系增加，環向應力和Mises應力均增大，但Mises應力的增大速度要明顯大于環向應力。

3）靜水壓力對于PCCP管道的作用效應非常明顯，最大mises應力和最大環向應力與靜水壓力基本呈現出正比的關系且比例系數非常大，說明靜水壓力對管道應力的影響非常明顯，這和人們在工程實際的經驗相一致，同時也提醒廣大工程技術人員在設計和施工過程中要把靜水壓力作為主要荷載進行考慮。

[1]國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T19685-2005，預應力鋼筒混凝土管[S].

[2]中國工程建設標準化協會.給水排水工程埋地管芯纏絲預應力混凝土管和預應力鋼筒混凝土管管道結構設計規程[S].CECS140:2002.