预应力钢筒混凝土管(PCCP)运行过程中的数值仿真

摘要

预应力钢筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，简称PCCP）因其能承受内外高压、抗渗耐腐蚀、通水能力强及安装便利，良好的实用性和经济性，广泛应用于市政、电力和水利工程中，尤其是国家重大工程——南水北调工程，关系国计民生。因此，管道运行过程中的安全性与稳定性尤为重要，根据工程实际合理地建立PCCP仿真模型，分析管道应力分布，裂缝产生及破坏工况，从而为实际工程提供参照，很有意义也很有必要。
　　本文总结了PCCP国内外发展历程及其设计原理和标准，介绍了PCCP加工工艺和关键要点。根据研究现状和南水北调中线实际工程选用埋置式预应力钢筒混凝土管（PCCP-E），利用 ANSYS建立数值仿真模型，模型中合理地考虑了各层之间的连接关系，采用降温法模拟预应力，分析缠丝完成、自重、静水压力、不同内水压力和重型车载作用等不同工况下管道内外层管芯混凝土、钢筒和预应力钢丝的应力变化规律。主要结论如下：
　　（1）缠丝完成时，内外层管芯混凝土和钢筒均会出现轴向应力、径向应力和环向应力，其中径向应力很小，对裂缝没有影响，可忽略不计，主要为轴向应力和环向应力，但相比混凝土和钢筒抗拉和抗压强度都很小，不会引起裂缝。
　　（2）管道正常运行工况（内水压力从静水压力至设计内压0.84MPa）下，管道各部位受力正常，不会出现裂缝。
　　（3）在极限内压（内水压力为1.2MPa）作用下，管道以环向拉应力为主。内层管芯混凝土最大环向拉应力为2.65MPa，超过 C50混凝土抗拉强度标准值（2.64MPa），持续作用时内层管芯混凝土沿环向出现裂缝，水流沿裂缝涌出，引起破坏；钢筒和预应力钢丝的强度足以满足承载力要求，不会出现屈服。与此同时，在长期使用中，混凝土的徐变，氯离子的侵蚀，预应力钢丝的松弛以及地面移动荷载的作用都会引起管道破坏，多种因素叠加将加速管道破坏。
　　（4）重型车载作用下，即当管顶中部区域应力超过2MPa时，对于内层管芯混凝土，轴向最大拉应力出现于管底中部，为2.4MPa，很接近C50混凝土抗拉强度标准值（2.64MPa），很易出现轴向裂缝；环向最大拉应力也出现于管底中部，为3.06MPa，超过C50混凝土抗拉强度标准值（2.64MPa），内层管芯混凝土沿环向出现裂缝，若同时有内水压力作用，将加速裂缝延展，引起管道破坏，对行车构成危险。为此，实际工程中，若能加强管道运行监测，发现破坏及时采取措施，从而减少损失，很有必要。

目录

声明

1 绪论

1.1 预应力钢筒混凝土管（PCCP）在国内外的发展历史

1.2 预应力钢筒混凝土管（PCCP）的结构组成及特点

1.3 预应力钢筒混凝土管（PCCP）的加工工艺

1.4 预应力钢筒混凝土管（PCCP）国内外设计标准

1.5 本文主要研究内容

2 PCCP分析的基本理论

2.1 有限元分析概述

2.2 弹塑性分析理论

2.3 混凝土结构的非线性分析

2.4 本章小结

3 PCCP数值仿真模型的建立

3.1 材料本构关系

3.2 单元类型

3.3 预应力的模拟

3.4 仿真模型的建立

3.5 本章小结

4 PCCP运行过程中的数值仿真

4.1 内层管芯混凝土应力分析

4.2 外层管芯混凝土应力分析

4.3 钢筒应力分析

4.4 预应力钢丝应力分析

4.5 管道破坏工况研究

4.6 本章小结

5 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 展望

参考文献

致谢