预应力钢筒混凝土管承插口数值仿真模拟方法

周理想,张　敏

(1.广东省水利电力勘测设计研究院,广州　510635;2.广州市水务规划勘测设计研究院,广州　510640)



预应力钢筒混凝土管承插口数值仿真模拟方法

周理想1,张敏2

(1.广东省水利电力勘测设计研究院,广州510635;2.广州市水务规划勘测设计研究院,广州510640)

摘要：根据预应力钢筒混凝土管的结构型式及特点，对预应力钢筒混凝土管(PCCP管)管身混凝土、钢筒、预应力钢丝以及承插口钢板进行了数值仿真模拟计算，采用了ANSYS有限元进行计算，对管身混凝土采用SOLID65单元模拟，管道钢筒采用壳单元SHELL63模拟，管道承插口钢板采用solid185单元模拟，预应力钢丝采用link8单元模拟。结合工程实例对PCCP管道进行了分析。数值仿真分析合理，具有实际意义。关键词：PCCP;ANSYS;承插口;接触分析

0前言

预应力钢筒混凝土管(简称PCCP)以其特有的新型组合结构优点，在中国长距离输水工程中得到越来越多地应用。在带钢筒的混凝土管芯上缠绕环向预应力钢丝并喷射水泥砂浆保护层，钢筒是两端有钢制承插式接口环的钢筒体，管芯是钢筒放置混凝土中间与管壁组成的复合体。PCCP与一般的混凝土管相比具有耐高压、耐腐蚀、密封性能好的特点，但是大口径承插式的管道对基础的变形提出了更高的要求，承插口是管道结构中的薄弱环节，本文紧密结合实际工程，通过有限元软件ANSYS对PCCP的承插口模型的进行数值仿真分析具有一定的工程实际意义。

1模拟方法

1.1管身混凝土的模拟

混凝土材料是抗压性能强于抗拉性能，在很小的受拉应力状态下就会开裂，当管道承插口混凝土在不均匀沉降或者超载等不利作用开裂后引起应力的重新分布，如何判断混凝土开裂和模拟裂缝是混凝土结构分析要解决的关键问题之一[1]。本文对于PCCP管身混凝土将用ANSYS的SOLID65单元进行模拟。

在ANSYS软件中，利用SOLID65单元其特有的拉裂、压碎的性能来模拟管道混凝土的开裂、压碎、应力重分布等。利用SOLID65单元最重要的方面在于其对材料非线性的处理，这正是选用该混凝土单元来模拟承插口开裂与压碎的重要原因之一[2-4]。

该单元具有8个节点，每个节点有3个自由度，见图1所示。

图1　管身混凝土SOLID65单元几何模型图

管身混凝土材料参数见表1，有关混凝土开裂模拟[5-6]参数见表2。

表1　管身混凝土的基本物理力学参数表

表2　管身混凝土开裂参数表

注：利用ANSYS中Solid65单元来模拟混凝土开裂，其裂缝间剪力传递系数对管道管身混凝土的有限元分析结果影响较大，一般取混凝土的开口裂缝剪力传递系数C1=0.25～0.40，闭合裂缝的剪力传递系数C2=0.9～1.0。

1.2管道钢筒的模拟

对于一个三维实体结构的厚度方向尺寸不大，且变形是以翘曲为主时，这种结构称为板壳结构[7]。由于PCCP管道内置钢筒壁厚相对管材总壁厚较薄，钢筒正是上述这种板壳结构，因此本文将利用ANSYS中薄壁结构的壳单元SHELL63[8]进行模拟提高精度。虽然SHELL63是二维的几何形状,但是它是布置在三维的空间中,所以板壳结构分析是三维的问题而不是二维的问题[9-10]。所以在建模时，管道管芯钢筒实际上不用建立实体厚度，只需要在内衬混凝土中选择一个曲面并赋予厚度参数的壳单元来模拟钢筒即可。

壳单元SHELL63每个节点具有6个自由度：沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动和沿节点坐标系X、Y、Z轴的转动，见图2所示。

管钢筒材料参数见表3。

1.3管道承插口钢板的模拟

PCCP管承插口钢板采用solid185单元模拟[11]，其物理参数见表4。

图2　管身钢筒SHELL63单元几何模型图

部位材料弹模E/MPa泊松比μρ/(kg·m-3)钢筒钢2.07×1050.297833

表4　承插口钢板的基本物理力学参数表

1.4管道预应力钢丝的模拟

在ANSYS中对预应力混凝土的分析方法有很多种，这里简单介绍2种：分离式和整体式。分离式就是将混凝土和钢筋分别考虑，对预应力的模拟以施加荷载的方式考虑；整体式就是将管道混凝土和预应力钢筋同时考虑。在ANSYS中可以用link8单元模拟预应力钢筋，用降温法来模拟预应力有2个优点：① 模拟过程相对来说比较简单，仅通过设置实常数即可；② 降温法可以模拟预应力的损失。降温法是利用物体热胀冷缩的特性，通过对预应力钢丝的杆单元实施降温，产生收缩，从而模拟预应力钢丝对管芯混凝土产生的预压应力[12-13]。计算公式如下：

式中:F为需施加的荷载值;Δt为需施加的降温值；A为预应力钢丝的截面面积；α为预应力钢丝的线膨胀系数；E为预应力钢丝的弹性模量。

预应力钢丝物理参数见表5。

表5　预应力钢丝的基本物理力学参数表

1.5管道承插口接触的模拟

接触分析已经成为现代有限元模拟分析的一个重要组成部分，模拟2个物体之间接触关系的能力对于有限元仿真分析来说是非常关键的。本文所研究的大口径PCCP管道承插口分析就是此类接触问题，当管道在不均匀沉降的地基中或者管道受力不均，通常供水系统中最薄弱环节就是承插口的变形导致止水不严发生事故。

本文将采用ANSYS中接触模块中的刚体-柔体的面-面的接触单元来模拟承插口应力应变过程，刚性面(管道插口钢板)被当作“目标”面，用Targe170单元来模拟，柔性体的表面(管道承口钢板)被当作“接触”面，用Conta174单元来模拟[14-15]。PCCP承插口的面-面接触分析的基本步骤如下：

(1) 建立PCCP管几何模型(两节长度)并对其进行划分网格。

(2) 识别接触对。PCCP管系统最薄弱环节通常就是承插口的变形破坏。管道承口钢板和插口钢板在不均荷载或不均沉降工况下会发生挤压、脱离、位移，甚至承插口混凝土发生挤压破坏。由此已经判断出潜在的接触面就是承口钢板和插板钢板以及承插口混凝土端面，通过目标单元和接触单元跟踪变形阶段的运动，构成一个接触对的目标单元和接触单元通过共享的实常数号联系起来。

(3) 定义目标面。将管道插口钢板和端面混凝土定义为目标面。

(4) 定义接触面。将管道承口钢板和端面混凝土定义为接触面。

(5) 求解。

(6) 后处理及分析。

2工程实例

珠江三角洲水资源配置工程是指从珠江三角洲河网区西部的西江水系向东引水至珠江三角洲东部，主要供水目标是广州市南沙区、深圳市和东莞市的缺水地区，解决东部地区城市长远用水问题。工程取水口初拟在佛山市顺德区杏坛镇的西江干流河段及东海水道，输水线路由西向东布置，沿途经过佛山市顺德区、广州市番禺区、南沙区、东莞市虎门镇、长安镇、深圳市宝安区，交水到广州市南沙区万顷沙水厂、东莞市五点梅水库和深圳市罗田水库。

工程的受水区范围是广州市南沙区、深圳市、东莞市所辖范围，行政区总面积5 228 km2，其中广州市南沙区(南沙新区)803 km2，深圳市1 953 km2，东莞市2 472 km2。该地区经济社会的发展对全省经济社会的发展和全省全面实现小康社会起到至关重要的作用，供水对象属于特别重要类型。供水规模较大，规划从西江取水总流量为80 m3/s，其中广州市南沙区分水20 m3/s、东莞市分水25 m3/s、深圳市分水35 m3/s。初定工程自西江多年平均引水量14.8亿m3，其中广州市南沙区为4.8亿m3、东莞市为4.9亿m3、深圳市为5.1亿m3。确定本工程等别为Ⅰ等，工程规模为大(1)型。

该工程东莞段将采用双排直径4.0 m的PCCP超大口径管道供水，本文取2节PCCP管1对承插口建模模拟系统在不利工况下的应力应变情况。管道是轴对称结构，为节省资源采用1/2有限元模型；见图3。承插口局部模型见图4。承插口模型节点位移见图5。

图3　整体有限元模型图

图4　承插口局部模型图

3模拟结果

本文对PCCP管道管身混凝土、钢筒、预应力钢丝以及承插口钢板进行了全方面的数值仿真模拟。假设承口管节内壁全约束，插口管节末端给定一定竖向沉降位移值来模拟不均匀沉降工况下的应力、应变以及开裂情况，其计算结果提供设计作比较分析。通过模拟分析可得到以下结论：

图5　承插口模型节点位移图

(1) PCCP管承插口的变形。在管端竖向位移的作用下，插口顶部钢板前端与承口顶部钢板发生挤压，管口顶部混凝土相对位移增大，管口发生椭圆形变形，承口底部钢板与插口底部钢板发生挤压，且管口低部混凝土相对位移随着末端位移增大而减小，直到混凝土发生接触挤压变形，底部混凝土最先有产生开裂的趋势。

(2) PCCP管承插口端部混凝土裂缝扩展过程。底部混凝土较早开裂，随着管道末端竖向沉降位移增大，底部管身混凝土开裂区域面积向两侧扩展延伸，并逐步向管身深处内层混凝土延伸。

(3) PCCP管承插口处应力变化规律。承插口钢板压应力随着末端位移增大而逐步增加，管身混凝土处除承插口以外应力变化不大，承插口处混凝土首先在末端位移增大的情况下发生接触，由于通过ANSYS软件设置的混凝土模型接触分析不会发生嵌入情况，管端混凝土发生接触后产生的压应力进一步增大，直至发生裂缝、压碎；管道承插口腰部混凝土产生环向拉应力，两侧应力变化规律相似。

(4) PCCP管承插口底部混凝土开裂后应力重分配。随着管道末端竖向沉降位移增大，当承插口底部混凝土先发生接触继而慢慢出现裂缝后，裂缝处的混凝土压应力发生重新分配，当末端位移继续加大，承插口底部混凝土在裂缝位置达到混凝土极限压应力后压碎，压应力得到彻底释放，混凝土将不再受力，而此处钢筒压应力突增，承插口管腰钢筒拉应力增加，此时钢材的抗拉压性能得到较好的发挥，在不均匀沉降导致管道承插口严重变形的情况下充分体现了这种复合管材的优越性。

4结语

本文根据预应力钢筒混凝土管的结构型式及特点，采用有限元软件ANSYS对PCCP管身混凝土、钢筒、管道预应力钢丝以及承插口接触变形进行了有限元模拟分析，结论如下：

(1) 通过大型有限元软件ANSYS可以方便地对PCCP管承插口各种材料进行模拟，其中通过接触单元Conta174和Targe170单元模拟分析承插口的接触变形效果很好，计算精度高，收敛速度快。

(2) 通过利用SOLID65单元来模拟PCCP管道混凝土的开裂、压碎、应力重分布等非线性性能计算结果合理，收敛快。

(3) 假设在不均匀沉降工况下，PCCP管承插口的底部混凝土相对位移随着末端位移增大而减小；底部混凝土较早开裂，且向两侧扩展延伸；承插口钢板压应力随着末端位移增大而逐步增加，管承插口底部混凝土开裂后应力重分配。接触变形的应力、应变以及开裂规律的计算结果可供相似工程参考。

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Numerical Simulating Method for Bell and Spigot of Prestressed Cylinder Concrete Pipe

ZHOU Lixiang1, ZHANG Min2

(1. Guangdong Hydropower Planning and Design Institute, Guangzhou510635,China;2. Guangzhou Water Planning Investigation Design Institute, Guangzhou510640,China)

Abstract:In accordance with the structural type and features of presressed cylinder concrete pipe (PCCP), the numerical simulating calculation on pipe concrete, cylinder, prestressed steel wire and bell-spigot steel plate of PCCP is performed. Calculation is carried out by application of ANSYS finite element method. The bell-spigot steel plate is simulated by SOLID65 unit and the prestressed steel wire by link8 unit. Based on the engineering practice, analysis is performed. It is reasonable by the numerical simulation and practical meaning. Key words:PCCP; ANSYS; bell and spigot; contact analysis

文章编号：1006—2610(2016)03—0030—04

收稿日期：2015-12-11

作者简介：周理想(1984- )，男，江西省瑞昌市人，主要从事水利工程规划及设计工作.

中图分类号：TV31

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.03.008