超大口径PCCP结构安全性能试验与数值分析研究

摘要

预应力钢筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinde,Pipe,PCCP)以其承载能力强、抗渗性好、安装简单,利于施工、抗震性能好、对地基适应性好等优点正越来越广泛地应用于区域调水、城市供水等国家基础建设工程中,PCCP已经被列入《中国城市供水行业2000年技术进步发展规划》。而目前国内外对PCCP承载机理、破坏特征、结构安全评价的研究还不甚成熟,特别是PCCP原型结构试验几乎为空白。为此,本论文在国家“十一五”科技支撑计划《超大口径PCCP管道结构安全与质量控制研究》和国家自然科学基金《基于FEMOL的大口径PCCP管结构计算和安全评价》的资助下对PCCP进行了详细的力学特性分析和结构安全性能试验研究和理论分析。
　　 共进行了7根原型PCCP的承载性能试验:1根4m直径PCCP外载试验；2根4m直径PCCP断丝试验；1根4m直径PCCP内水压试验；1根4m直径松弛管内水压试验和2根2m直径裂缝管试验。试验得出了原型PCCP分别在外载和内水压作用下的承载能力和破坏特征；采用非常规方法:用切割机割断钢丝来模拟断丝进行断丝后PCCP承载能力的结构试验；针对裂缝现状,选取典型裂缝管进行裂缝管的承载能力结构试验；选取预应力松弛管,进行松弛管与原型管内水压承载的对比试验。
　　 从普通混凝土裂缝产生机理出发,分析了PCCP裂缝的分布形式和产生机理。基于现场试验与非线性有限元,进行了PCCP裂缝的结构安全评价,计算分析认为:管芯混凝土外壁纵向裂缝为非危害性裂缝,基于试验和计算结果,借鉴国外先进国家的PCCP制造经验,提出了防治PCCP裂缝的措施。对PCCP长期运行过程中可能出现的断丝问题进行了试验研究和计算分析。采用等效降温法施加预应力和杆单元模拟钢丝,进行了实际埋置PCCP断丝承载性能分析,给出了各极限状态下断丝数与内水压的定量关系以及钢丝预应力松弛值与内水压的定量关系。
　　 采用拟解析法进行了PCCP内水压承载全过程分析。根据环形预应力作用机理,以弹性理论为基础,采用拟解析法得出了各受压状态的内水压值；并将理论计算结果、现场试验和数值计算结果进行分析比较,三者结果吻合较好。
　　 最后,将分析研究成果运用于南水北调中线工程,提出的PCCP结构安全评价为南水北调中线工程的顺利通水提供了技术支持,提出的处理措施为业主和企业所采纳,为工程节省了投资,具有良好的经济效益。进行的足尺现场内水压和外载试验成果为PCCP规范制定提供科学依据。
　　 论文主要创新点体现在:
　　 (1)对超大口径PCCP原型管(完整管、裂缝管、预应力损失管和钢丝断丝管道)进行(外载、内压)承载能力试验,进行了4m直径PCCP内水压和三点法外载试验,对PCCP受力特点,受力状态,破坏特征等一系列PCCP承载机理进行了理论分析；对4m直径PCCP进行断丝三点法外载试验,采用人工切割钢丝,模拟实际断丝情况,分别进行先压后断和先断后压的承载试验,得出的钢丝应力变化为数值计算提供重要试验数据；针对PCCP管芯混凝土裂缝与预应力松弛现象,进行了裂缝管与完好管、松弛管与完好管的对比试验分析。
　　 (2)基于损伤力学理论,采用分布式动态裂缝模型对PCCP进行承载能力全过程分析,评价裂缝扩展对PCCP承载能力的影响；基于现场试验结果,采用杆单元模拟钢丝,利用热胀冷缩原理的等效降温法模拟钢丝预应力,首次给出了各极限状态下内水压与断丝数的定量关系,以及内水压与钢丝预应力松弛量的定量关系。

目录

文摘

英文文摘

符号表

第1章 绪论

1.1 PCCP结构构成及其特点

1.1.1 PCCP结构构成

1.2.2 PCCP结构特点

1.2.3 PCCP生产工艺

1.2 PCCP在国内外的应用情况

1.2.1 PCCP在国外的应用

1.2.2 PCCP在国内的应用

1.3 国内外研究与进展

1.4 论文研究意义

1.5 论文主要内容与创新点

1.5.1 主要内容

1.5.2 创新点

第2章 PCCP现场原型管承载力试验研究

2.1 试验方案设计

2.1.1 试验材料

2.1.2 试验试件

2.1.3 测点布置

2.1.4 试验装置

2.1.5 测试仪器与测试方法

2.2 内水压承载试验

2.2.1 内水压试验过程

2.2.2 内水压试验结果

2.3 三点法外载试验

2.3.1 外载试验过程

2.3.2 外载试验依据

2.3.3 外载试验结果

2.4 本章小结

第3章 PCCP理论计算方法

3.1 PCCP受力状态分析

3.2 预应力钢丝作用机理

3.3 管芯混凝土开裂前受力计算公式-弹性模型

3.3.1 基本假定

3.3.2 计算模型

3.4 管芯混凝土开裂后受力计算公式-正交异性模型

3.4.1 基本假定

3.4.2 正交异性模型公式推导

3.5 算例

3.6 本章小结

第4章 PCCP承载能力数值分析

4.1 非线性本构关系

4.2 破坏准则

4.3 PCCP有限元模型

4.3.1 几何尺寸

4.3.2 单元类型

4.3.3 材料模型

4.3.4 材料参数

4.3.5 荷载与边界

4.3.6 层间关系

4.4 钢丝预应力的模拟

4.5 分析步骤

4.6 计算结果

4.7 试验与理论计算结果对比

4.8 本章小结

第5章 混凝土裂缝对PCCP承载能力影响分析

5.1 PCCP裂缝产生机理及防治措施研究

5.1.1 PCCP常见裂缝形式

5.1.2 PCCP裂缝产生机理

5.2 PCCP管芯混凝土裂缝外压承载力检验

5.2.1 试验准备

5.2.2 试验过程

5.2.3 试验结果

5.3 2m直径PCCP外载试验对比

5.3.1 测点布置

5.3.2 试验过程

5.3.3 试验结果

5.4 安全性评价

5.4.1 裂缝对PCCP结构安全的影响

5.4.2 裂缝对PCCP运行功能和耐久性的影响

5.5 基于非线性有限元的安全性评价

5.5.1 计算模型

5.5.2 计算分析方法

5.5.3 计算结果与分析

5.5.4 防治与处理措施

5.5.5 综合评价

5.6 本章小结

第6章 断丝对PCCP承载能力影响分析

6.1 PCCP断丝承载力试验

6.1.1 测点布置

6.1.2 试验过程

6.1.3 试验结果

6.2 PCCP断丝承载性能计算

6.2.1 预应力钢丝的模拟

6.2.2 断丝的模拟

6.2.3 分析步骤

6.2.4 计算结果

6.3 本章小结

第7章 钢丝预应力松弛对PCCP承载能力影响分析

7.1 钢丝预应力松弛测试

7.1.1 光纤光栅计布置

7.1.2 测试结果

7.2 预应力钢丝松弛管内水压承载试验

7.2.1 试验管型

7.2.2 试验过程与现象

7.2.3 试验结果与分析

7.3 预应力钢丝松弛管内水压承载数值计算

7.3.1 计算结果与分析

7.4 本章小结

第8章 南水北调中线工程中PCCP遇到的问题与对策

8.1 南水北调工程背景

8.2 南水北调PCCP生产施工中遇到的问题

8.2.1 PCCP混凝土裂缝问题

8.2.2 PCCP预应力钢丝问题

8.3 解决上述问题的对策

8.3.1 针对混凝土裂缝问题

8.3.2 针对预应力钢丝问题

8.5 本章小结

第9章 总结与展望

9.1 总结

9.2 展望

参考文献

攻读博士学位期间撰写的论文及参加的项目

致谢

专家意见