不同断丝比例对PCCP内外压承载能力影响研究

孙 岳 阳,卢 勇,胡 少 伟,黄 逸 群

(1.苏州科技大学 土木工程学院,江苏 苏州 215011; 2.中海建筑有限公司,广东 深圳 518000; 3.重庆大学 土木工程学院,重庆 400045; 4.福建工程学院 土木工程学院,福建 福州 350118)

0 引 言

预应力钢筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe,PCCP)是由砂浆保护层、混凝土管芯、钢筒和预应力钢丝组成的复合结构。它有两种结构型式:① 内衬式,钢筒的内侧是混凝土管芯,预应力钢丝直接缠在钢筒外,砂浆保护层最后喷射在预应力钢丝上,如图1(a)所示;② 埋置式,钢筒埋置在混凝土管芯内,将管芯分为内管芯和外管芯,预应力钢丝缠绕在外管芯上,最后喷射砂浆保护层,如图1(b)所示。PCCP充分利用了混凝土及砂浆的抗压、抗腐蚀性能和钢材的抗拉、密封性能,具有高工压、深覆土、成本低、寿命长等优点,已成为远距离、跨流域调水工程中的优选管材[1]。

图1 PCCP结构示意Fig.1 Structure diagram of PCCP

PCCP通过缠绕1 570 MPa的高强预应力钢丝使混凝土管芯受到一个初始的预压应力,从而抵消部分内水压力。预应力是整管强度的保证,一旦断丝,整管承载能力将下降,存在爆管风险。2001年,Diab Y G[2]对PCCP中钢丝断丝的原因进行了分析。2005年,Mergelas B J[3]对一个工程中的每根PCCP进行了断丝风险的分析和评估。Ge[4-5]对断丝PCCP的失效因素、失效模式和失效机理进行了研究,提出了一个预测断丝管承载性能的分析计算模型。PCCP引进国内后,2009～2011年,胡少伟[6-7]通过超大口径断丝PCCP原型试验和数值模拟,探究了不同数量断丝对PCCP结构性能的影响规律。熊欢[8-9]建立了考虑钢丝和管芯混凝土接触作用的缠丝和断丝模型,研究了断丝管的承载能力,并采用现场试验进行了对比验证。You[10]建立了一个简化模型,对断丝引起的PCCP纵向断裂的机理进行了探讨。胡少伟等[11]建立了实际埋置条件下的PCCP有限元计算模型,探究了不同比例断丝对PCCP内水压承载能力的影响规律。

1 模型建立

1.1 几何尺寸及材料参数

该工程使用的是埋置式PCCP,具体几何尺寸如下:管长6 000 mm,内径4 000 mm,钢筒外径4 183 mm,管芯厚度380 mm,保护层厚度41 mm,钢筒厚度2 mm,钢丝直径7 mm,缠丝间距30 mm。

建模时,管芯混凝土和保护层砂浆均采用实体单元C3D8R模拟[13];钢筒属于薄壁结构,采用薄壳单元S4R单元模拟[14];预应力钢丝采用梁单元Beam模拟[13]。各部位建模时采用分离式模型单独建模,假设各层之间为完全接触,不产生相对滑移和脱空。混凝土和保护层砂浆均采用塑性损伤模型(Concrete Damaged Plasticity),预应力钢丝和钢筒看作理想弹塑性体,相关材料参数如表1所列[11]。

表1 材料参数Tab.1 Material parameters

1.2 荷载施加

计算模型均考虑管体的自重,采用等效降温法模拟钢丝的预应力[13]。内压计算模型在PCCP管芯内部施加均布荷载,如图2(a)所示。外压计算模型则采用三点式加载方式[15],通过位移施加外压,如图2(b)所示。

图2 荷载施加Fig.2 Load application

1.3 断丝模拟

常见的预应力钢丝通常根据缠丝间距采用一圈一圈钢丝单独建模,而实际PCCP中,预应力钢丝是一根钢丝等距地缠绕在带有钢筒的混凝土管芯上。为了更符合实际,本文根据PCCP尺寸参数建立螺旋线方程,再将其导入有限元软件中生成预应力钢丝缠丝模型,如图3(a)所示。

图3 断丝模拟Fig.3 Simulation of broken wire

在给钢丝降温施加预应力后,使用有限元软件中的“型号改变”功能使计划断丝区域的预应力钢丝单元失效,施加预应力后的断丝效果如图3(b)所示。

2 内压计算结果与分析

2.1 各部位起始失效位置

为得到不同内压下PCCP各部位的受力变化情况,拟加载内压至2 MPa,观察加载过程中完好PCCP和不同比例断丝PCCP砂浆保护层、混凝土管芯、钢筒和预应力钢丝等各部位的应力应变状态。

完好管的砂浆保护层、混凝土管芯、钢筒和预应力钢丝开始进入塑性时的最大塑性主应变如图4所示。

本研究通过试验确定了玉米秸秆淀粉-聚乙烯醇薄膜的最佳配方，并测试了抗拉强度和变形率，研究了选材的添加量对薄膜的影响。该配方适用于制作食品包装薄膜，有助于使玉米秸秆得到充分利用，减少对食品的污染，并且安全环保，可以降低制作成本，减少废弃物，保护环境。

图4 内压下完好管各部位进入塑性时的最大塑性主应变Fig.4 Maximum plastic principal strain of intact PCCP entering plasticity under inner pressure

对于断丝管,以中部10%断丝PCCP为例,砂浆保护层、混凝土管芯、钢筒和预应力钢丝开始进入塑性时的最大塑性主应变如图5所示。

图5 内压下10%断丝管各部位进入塑性时的最大塑性主应变Fig.5 Maximum plastic principal strain of PCCP with 10% broken wires entering plasticity under inner pressure

由图4和图5可知,在内压作用下,完好管的砂浆保护层、混凝土管芯、钢筒和预应力钢丝都在管身中部最先进入塑性;断丝管的砂浆保护层、混凝土管芯和钢筒则在断丝区域最先进入塑性,预应力钢丝则在断丝区域两侧最先进入塑性。

2.2 破坏过程分析

在内压作用下,PCCP受力过程可以分为4个阶段[16]:预应力钢丝环向作用阶段、混凝土管芯弹性阶段、混凝土管芯进入塑性阶段、钢筒和预应力钢丝屈服阶段。以10%断丝PCCP计算结果为例,分析内压作用下PCCP各部位的受力破坏情况。

第1阶段为预应力钢丝环向作用阶段。此时内压对混凝土管芯产生的拉应力不足以抵消预应力钢丝使管芯产生的预压应力,PCCP各部位都处于弹性阶段。以混凝土外管芯为例,此阶段的最大主应力分布如图6(a)所示,管芯全部受压。第2阶段为混凝土管芯弹性阶段。预应力钢丝使管芯产生的预压应力已经逐渐不能抵消内压对混凝土管芯产生的拉应力,断丝区域的管芯混凝土由初始的受压转变为受拉,但仍处于弹性阶段,此阶段混凝土外管芯的最大主应力分布如图6(b)所示,断丝区域的拉应力较其他区域大。第3阶段为混凝土管芯进入塑性阶段。图6(c)为该阶段中部10%断丝混凝土外管芯的最大主应力云图,断丝区域的管芯混凝土最先进入塑性。第4阶段为钢筒和预应力钢丝屈服阶段,即管道破坏阶段。此阶段两者的最大主应力分别如图6(d)和图6(e)所示。断丝区域处的钢筒最先进入屈服,预应力钢丝则在断丝区域两侧最先屈服。

图6 内压下10%断丝管破坏过程(单位:MPa)Fig.6 Failure process of PCCP with 10% broken wires under inner pressure

2.3 断丝率影响分析

各级内压下,完好PCCP和中部不同比例断丝PCCP各部位进入塑性时所对应的内压值见表2。

表2 不同比例断丝PCCP各部位进入塑性时的内压Tab.2 Inner pressure of each part of PCCPs with different ratios of broken wires entering plasticity

根据表2数据可以得到各部位进入塑性时所对应的内压值随断丝比例的变化曲线,如图7所示。

图7 各部位进入塑性时的内压值随断丝比例的变化曲线Fig.7 Curves of inner pressures corresponding to each part entering plasticity with different ratios of broken wires

由图7可知,当断丝比例超过10%,砂浆保护层进入塑性时的内压值不随断丝比例的增加而变化,均在0.6MPa进入塑性,说明一旦出现断丝,相比完好管,断丝管的砂浆保护层在内压的作用下将更早地进入塑性。当断丝比例小于35%,随着断丝比例的增加,混凝土管芯进入塑性时的内压值逐渐减小,且基本呈线性变化;在断丝比例超过35%后,混凝土管芯进入塑性时的内压值基本恒定。随着断丝比例的增加,预应力钢丝进入塑性时所对应的内压值逐渐减小,在断丝比例超过30%之后,减小速度明显变缓。各个断丝比例下,钢筒进入塑性时的内压值均小于预应力钢丝进入塑性时的内压值,说明随着内压的增加,钢筒都先于预应力钢丝屈服。同样,随着断丝比例的增加,钢筒进入塑性时的内压值也逐渐减小,且在30%断丝比例后,内压值减小速度明显变缓,趋于稳定。

3 外压计算结果与分析

3.1 各部位开始破坏的位置分析

为研究PCCP在外压作用下的破坏规律,使用三点法加载方式,观察加载过程中完好管和断丝管各部位的受力状态。对比完好管和断丝管各部位的最大塑性主应变云图,可以得到各部位的起始失效位置。

在加载过程中,完好PCCP的砂浆保护层、外管芯、内管芯、钢筒和预应力钢丝进入塑性时的最大塑性主应变如图8所示。

图8 外压下完好管各部位进入塑性时的最大塑性主应变Fig.8 Maximum plastic principal strain of intact PCCP each part entering plasticity under outer pressure

对于断丝管,以中部10%断丝PCCP为例,砂浆保护层、外管芯、内管芯、钢筒和预应力钢丝进入塑性时的最大塑性主应变如图9所示。

图9 外压下10%断丝管各部位进入塑性时的最大塑性主应变Fig.9 Maximum plastic principal strain of PCCP with 10% broken wires entering plasticity under outer pressure

由图8和图9可知,外压作用下,完好管和断丝管的砂浆保护层、外管芯和预应力钢丝都是从端部管腰处开始进入塑性,而钢筒和内管芯则从管顶、管底端部开始进入塑性。

3.2 破坏过程分析

同样,在外压作用下,PCCP受力过程也可以分为以下4个阶段[17]:预应力钢丝环向作用阶段、混凝土管芯弹性阶段、混凝土管芯进入塑性阶段、钢筒和预应力钢丝屈服阶段。以10%断丝PCCP计算结果为例,分析外压作用下PCCP各部位的受力破坏情况。

第1阶段为预应力钢丝环向作用阶段。此时外压对混凝土管芯产生的拉应力不足以抵消预应力钢丝使管芯产生的预压应力,PCCP各部位均处于弹性阶段,以混凝土外管芯为例,此阶段的最大主应力分布与图6(a)施加内压前一致。第2阶段为混凝土管芯弹性阶段。当外压较小时,管芯仍处在弹性状态,此时预应力钢丝和钢筒的应力远小于相应的屈服强度,此阶段外管芯的最大主应力分布如图10(a)所示,在管腰端部和断丝区域处的拉应力较其他区域大。第3阶段为混凝土管芯进入塑性阶段,此阶段混凝土外管芯的最大主应力分布如图10(b)所示,最先在管腰处进入塑性。第4阶段为钢筒和预应力钢丝屈服阶段。随着外压继续增大,钢筒和钢丝的拉应力相继达到屈服强度,最大主应力分布分别如图10(c)和图10(d)所示。钢筒最先进入屈服阶段的位置在管顶和管底处,预应力钢丝则在管腰处最先屈服。

图10 外压下10%断丝管破坏过程(单位:MPa)Fig.10 Failure process of PCCP with 10% broken wires under outer pressure

3.3 断丝率影响分析

各级外压下,完好PCCP和中部不同比例断丝PCCP各部位进入塑性时所对应的外压值见表3。根据表3数据可以得到各部位进入塑性时所对应的外压值随断丝比例的变化曲线,如图11所示。

表3 不同比例断丝PCCP各部位进入塑性时的外压Tab.3 Outer pressure of PCCPs with different ratios of broken wires entering plasticity

图11 各部位进入塑性时的外压值随断丝比例的变化曲线Fig.11 Curves of outer pressures corresponding to each part entering plasticity with different ratios of broken wires

由图11可知,砂浆保护层进入塑性时所对应的外压值随断丝率变化较小,完好管与断丝管基本在 1 280 kN 左右进入塑性。混凝土管芯在出现断丝后进入塑性时所对应的外压值随断丝比例变化较小,但是完好管的管芯进入塑性时所对应的外压值明显比断丝管高。在断丝比例小于20%时,钢筒进入塑性时所对应的外压值随断丝比例基本呈直线下降,在断丝比例超过20%后,基本在5 000 kN左右进入塑性。对于预应力钢丝,在断丝比例小于40%时,其进入塑性时所对应的外压值随断丝比例的增加基本呈线性变化,超过40%后,外压值基本恒定,且跟钢筒进入塑性时所对应的外压值一致。

4 结 论

本文通过模拟PCCP承受内压和三点法外压试验,揭示了完好管和管身中部不同比例断丝管各部位的受力破坏规律,主要结论如下:

(1) 在内压逐渐施加到2 MPa的过程中,断丝PCCP的砂浆保护层、管芯和钢筒都在断丝区域处产生应力集中。随着断丝比例的增加,混凝土管芯、钢筒和预应力钢丝进入塑性时的内压值逐渐减小。对于完好管和断丝管,钢筒都先于预应力钢丝进入塑性。一旦出现断丝,相比完好管,砂浆保护层将提前进入塑性,且内压值不随断丝比例的增加而变化,对于本文的模型,都是在内压0.6 MPa时进入塑性。

(2) 在外压加载的过程中,不管是完好管还是断丝管,砂浆保护层进入塑性时所对应的外压值基本一致。完好管的混凝土管芯进入塑性时所对应的外压值明显比断丝管高,且断丝管的管芯进入塑性时所对应的外压值随断丝比例的变化较小。在断丝比例小于40%时,随着断丝比例的增加,钢筒和预应力钢丝进入塑性时所对应的外压值逐渐减小,断丝比例超过40%后,外压值基本恒定,且两者进入塑性时所对应的外压值一致。