纏絲張拉應(yīng)力對PCCP受力性能的影響研究

董 樂 王法武 楊 杰

(南京航空航天大學航空宇航學院，江蘇 南京 210000)

纏絲張拉應(yīng)力對PCCP受力性能的影響研究

董 樂 王法武 楊 杰

(南京航空航天大學航空宇航學院，江蘇 南京 210000)

采用有限元軟件ANSYS對PCCP預應(yīng)力施加過程進行了有限元模擬，分析了纏絲完成后鋼絲及混凝土管芯中預應(yīng)力的大小和分布，并通過對不同初始張拉應(yīng)力纏絲的PCCP管進行內(nèi)水壓加載模擬試驗，研究了鋼絲張拉應(yīng)力波動對管道結(jié)構(gòu)受力性能的影響，以供參考。

PCCP，ANSYS仿真分析，初始張拉應(yīng)力，受力性能

1 概述

預應(yīng)力鋼筒混凝土管簡稱PCCP，是一種技術(shù)先進、應(yīng)用范圍廣泛的新型管材。PCCP由混凝土管芯、鋼筒、高強預應(yīng)力鋼絲和砂漿保護層四部分組成(如圖1所示)，它集合了混凝土管和鋼管的優(yōu)點，具有良好的受力和使用性能，被越來越多的應(yīng)用于大范圍輸水工程中。

目前纏絲工藝一般采取差速法進行，差速法是指利用放出鋼絲的速度低于混凝土管芯的纏繞速度，從而使鋼絲處于受拉狀態(tài)以提供初始的預應(yīng)力。鋼絲中預應(yīng)力的大小直接影響到PCCP結(jié)構(gòu)的承載性能，其中管芯彈性變形、鋼絲松弛和混凝土管芯的徐變收縮都會引起預應(yīng)力大小的變化。

根據(jù)ANSI/AWWA C304[1]中規(guī)定：預應(yīng)力鋼絲的設(shè)計毛拉應(yīng)力(即纏絲時鋼絲內(nèi)應(yīng)力)為該規(guī)格鋼絲的最小抗拉強度的75%，但在實際工程中，由于纏絲過程中各種因素的影響，實際預應(yīng)力會有所波動。鋼絲預應(yīng)力的增加，既能提高混凝土的抗裂性能，又會使管道結(jié)構(gòu)延性降低。

關(guān)于鋼絲初始預應(yīng)力對管道性能影響方面的研究主要有：

包正東[2]分析了超張拉環(huán)向預應(yīng)力鋼筋對預應(yīng)力混凝土管性能的影響，超張拉增大了鋼筋的應(yīng)力腐蝕能力，從而影響了管材的耐久性；

張玲等[3]結(jié)合試驗分析了預應(yīng)力鋼絲松弛對PCCP安全性能的影響，并結(jié)合設(shè)計規(guī)范計算出不同鋼絲預應(yīng)力在不同松弛量下的內(nèi)水壓值；

滕海文等[4]研究了不同鋼絲應(yīng)力對PCCP結(jié)構(gòu)性能的影響，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力越大管材的抗裂性能越高延性越低，推導了預應(yīng)力鋼絲最大張拉控制應(yīng)力的一般公式。

本文結(jié)合文獻[5]中現(xiàn)場4 m直徑PCCP原型試驗的研究背景，對PCCP纏絲過程中預應(yīng)力施加的效率和應(yīng)力波動進行了分析，通過施加不同鋼絲預應(yīng)力，模擬預應(yīng)力大小變化對管道結(jié)構(gòu)安全性能的影響，最后分析了不同初始預應(yīng)力對PCCP受力性能的影響。

2 工程概況

計算工程實例采用的是埋置式預應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP-E)，共四種材料：C60商用混凝土、Q235B鋼筒、1570-WCP-9預應(yīng)力鋼絲和M50砂漿。單節(jié)PCCP管長5 m，內(nèi)徑為4 m。PCCP管長為5 m，內(nèi)徑4 m，鋼筒外徑4.183 m，鋼筒厚度0.002 m，管芯厚度0.35 m，保護層厚度0.032 m，鋼絲實際直徑0.007 m，實際纏絲量2.694×10-3m2/m。

材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)表

3 有限元模型

本文采用ANSYS有限元軟件建立PCCP的三維有限元模型。為了更好地分析鋼絲預應(yīng)力的作用機理，采用預應(yīng)力鋼絲、鋼筒和混凝土管芯分別模擬的分離模型，保證管芯軸向網(wǎng)格劃分間距與鋼絲的螺距相吻合。采用共用節(jié)點的方式模擬不同材料界面之間的連接，忽略粘結(jié)滑移效應(yīng)。混凝土管芯和砂漿保護層采用Solid65單元模擬，采用Shell181單元模擬鋼筒，采用Link8單元來模擬預應(yīng)力鋼絲。

為更好的研究PCCP的性能，必須合理地選擇材料的本構(gòu)模型、屈服準則和破壞準則。混凝土管芯和鋼絲本構(gòu)關(guān)系采用多線性等向強化模型MISO，鋼筒采用雙線性等向強化模型BISO，進行材料非線性分析。破壞準則采用既能描述低靜水壓力區(qū)混凝土性能，又能描述高靜水壓力區(qū)混凝土性能的Willam-Warnke五參數(shù)破壞模型。

各材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系見圖2～圖4。

4 鋼絲及管芯中預應(yīng)力的分布特點

采用等效降溫法使鋼絲中產(chǎn)生張拉應(yīng)力，并作用到混凝土管芯產(chǎn)生預壓應(yīng)力。管材在僅受預應(yīng)力作用時，結(jié)構(gòu)各部分的受力特點分析如下：

1)鋼絲應(yīng)力。

鋼絲軸向拉應(yīng)力沿著管周方向是不變的，即同一圓周鋼絲應(yīng)力是均勻的；但沿管長方向分布不均勻，兩個管端受管端效應(yīng)的影響，應(yīng)力值會偏小，如圖5所示。

2)混凝土管芯應(yīng)力。

沿著管周方向，混凝土管芯預壓應(yīng)力的值是常數(shù)；沿著管長方向，混凝土管芯應(yīng)力值是變化的，在管的兩端，壓應(yīng)力略大，如圖6所示；沿著管徑方向，混凝土的預壓應(yīng)力值從內(nèi)向外是逐漸減小的，內(nèi)管芯的壓應(yīng)力大于外管芯壓應(yīng)力，見圖7。

3)鋼筒應(yīng)力。

鋼筒的環(huán)向壓應(yīng)力沿管周方向是均勻的，為定值；沿著管長方向環(huán)向壓應(yīng)力的值是不同的，兩端的應(yīng)力值略小；即鋼筒的環(huán)向應(yīng)力變化趨勢與混凝土管芯的應(yīng)力變化是一致的。

5 內(nèi)水壓加載分析

具體步驟為首先單獨施加預應(yīng)力，在此基礎(chǔ)上內(nèi)水壓逐漸增加到2 MPa，根據(jù)計算結(jié)果可以分析得出預應(yīng)力對結(jié)構(gòu)受力性能的影響。

圖8和圖9分別為鋼絲應(yīng)力和內(nèi)管芯等效應(yīng)力隨荷載步的變化圖，等效應(yīng)力即Von Mises等效應(yīng)力，其計算公式為：

由圖8和圖9可以看出PCCP管在內(nèi)水壓作用下的破壞過程：管芯混凝土經(jīng)纏絲后，受到環(huán)向預應(yīng)力，在承受內(nèi)水壓初期以初始環(huán)向預應(yīng)力來抵消內(nèi)水壓，隨著內(nèi)水壓的增大，混凝土逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，預應(yīng)力鋼絲和鋼筒則始終處于受拉狀態(tài)。鋼絲應(yīng)力以及管芯應(yīng)力是隨著內(nèi)水壓加大而逐漸增加的，直到鋼絲進入塑性；施加內(nèi)水壓，鋼絲應(yīng)力平穩(wěn)增加，此時內(nèi)水壓力主要是由混凝土承載；當混凝土進入破壞階段，混凝土不再承載，此時鋼絲軸應(yīng)力突然增加，主要由鋼絲和鋼筒承載，標志PCCP管破壞。

6 不同初始張拉應(yīng)力纏絲的PCCP管內(nèi)水壓承載特點

美國規(guī)范規(guī)定預應(yīng)力鋼絲的初始張拉應(yīng)力鋼絲的名義抗拉強度的75%，中國規(guī)范為70%。但在實際工程中，由于纏絲過程中各種因素的影響，實際預應(yīng)力會有所波動，本文分別按最小抗拉強度的70%，75%，80%施加鋼絲的初始張拉應(yīng)力值，分析預應(yīng)力波動對PCCP安全性能的影響。按不同初始張拉應(yīng)力纏絲的PCCP管承受內(nèi)水壓時，混凝土的開裂過程是相似的，即管芯混凝土的內(nèi)表面首先出現(xiàn)裂縫，隨著內(nèi)水壓的增大，管體結(jié)構(gòu)破壞不斷加大，直至最后破壞。不同初始張拉應(yīng)力的PCCP管在內(nèi)水壓作用下的鋼絲應(yīng)力如圖10所示，管芯破壞時對應(yīng)的內(nèi)水壓值如表2所示。

表2 不同初始張拉應(yīng)力參數(shù)匯總表

初始張拉應(yīng)力/%降溫值℃鋼絲應(yīng)力MPa管芯破壞內(nèi)水壓/MPa管芯破壞內(nèi)水壓增加值/MPa70467.44843.71.75—75591.961024.71.950.2080631.421082.020.05

從圖10中可以得出：三種不同初始張拉應(yīng)力纏絲后的PCCP管，受內(nèi)水壓作用時的應(yīng)力變化曲線是類似的。隨著初始張拉應(yīng)力的增加，鋼絲中的初始預應(yīng)力越大，管芯混凝土破壞時的極限內(nèi)水壓也越大。但是從表2可以看出初始張拉應(yīng)力從70%提高到75%，極限內(nèi)水壓增加值為0.2 MPa，而從75%提高到80%極限內(nèi)水壓增加值僅為0.05 MPa。也就是說，初始張拉應(yīng)力超過75%抗拉強度后，結(jié)構(gòu)在內(nèi)水壓下的承載能力沒有大的提高。

7 結(jié)語

本文在不考慮其他因素影響條件下，分析了預應(yīng)力沿管長方向的分布以及不同的鋼絲初始預應(yīng)力對管體結(jié)構(gòu)受力性能的影響。研究結(jié)果表明：纏絲后一節(jié)PCCP管的兩端，管芯壓應(yīng)力較管中段較大，而鋼絲拉應(yīng)力較小；增加鋼絲初始張拉應(yīng)力可提高管子的內(nèi)水壓承載能力，但超過75%鋼絲抗拉強度后提高幅度很小。

[1] American National Standards Institute,ANSI/AWWA C304, Design of Prestressed Concrete Cylinder Pipe[S].Denver,Colorado:American Water Works Association,2007.

[2] 包正東.環(huán)向預應(yīng)力鋼筋超張拉分析及其對預應(yīng)力管質(zhì)量的影響[J].混凝土與水泥制品，1994(1):39-40.

[3] 張 玲,沈 捷.預應(yīng)力鋼絲松弛對超大口徑PCCP承載能力的影響[J].水利水電科技進展，2010,30(5):69-72.

[4] 滕海文,張蕭杰,代春生.預應(yīng)力鋼絲應(yīng)力對PCCP性能的影響分析[J].特種結(jié)構(gòu),2013,30(5):37-40.

[5] 胡少偉.預應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)結(jié)構(gòu)承載安全評價理論與實踐[M].北京:中國水利水電出版社,2011.

The influence research on winding tension stress to PCCP stress performance

DONG Le WANG Fa-wu YANG Jie

(Aeronautics and Astronautics College, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210000, China)

This paper made finite element simulation using the finite element software ANSYS in PCCP pre-stress applied process, analyzed the size and distribution of pre-stressed in steel and concrete tube core after winding completion. And through the inner water force loading simulation test of PCCP pipe to different initial tension stress winding, researched the influence of wire tension force fluctuation to pipe structure stress performance, for reference.

PCCP, ANSYS simulation analysis, initial tensile force, stress performance

1009-6825(2014)18-0042-03

2014-04-13

董 樂(1989- )，女，在讀碩士； 王法武(1978- )，男，副教授； 楊 杰(1976- )，男，副教授

TU311

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