预应力钢筒混凝土管受力性能的理论研究

• 作 者: 王玉良
• 出 处: 天津大学
• 发表日期: 2007年期
• 关键词: PCCP 受力模型 有限元分析 应力 开裂 可靠度

预应力钢筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe,简称PCCP)是一种优质复合管材,在大口径输水管线选型时,越来越具有竞争力。由于PCCP中含有混凝土、钢筒、预应力钢丝,结点构造和地下埋置工况复杂,对于PCCP的受力机理认识尚不统一。本文旨在研究PCCP受力机理,探讨预应力设计计算方法,分析PCCP的应力分布规律、管壁开裂性能、砂浆保护层的剥离性能以及PCCP抗裂可靠度。首先以完全弹性理论为基础,根据环形预应力作用机理,结合多层圆筒轴对称平面形变计算理论,建立了PCCP在使用阶段的理论计算方法。结合PCCP结构抗裂承载能力的要求,给出运行阶段PCCP预应力设计计算公式。并对受力模型与有限元分析结果进行对比,对预应力设计计算公式进行相应的修正。通过对PCCP在不同管壁厚度、埋深、内水压力和混凝土强度等级条件下PCCP最大环形应力变化特征和PCCP在内水压力作用下裂缝扩展过程以及砂浆保护层剥离性能进行数值分析,结果表明:(1)PCCP中最大环向应力随着埋深、内水压力的增大而增大,最小应力随着埋深、内水压力的增大而减小;(2)增加管壁厚度能够明显减小管道环向应力,而增加混凝土强度等级对改善混凝土的受力效果并不明显;(3)管侧砂浆较早开裂,并随着内水压力的增大向两侧扩展,外层管芯管腰较管芯其它部位较早开裂,并随着内水压力的增大向两侧扩展并向深处延伸,内层管芯管顶基本为一次裂通;(4)在发生开裂时,钢筒和预应力钢丝上在相应位置的应力会发生突变;(5)PCCP砂浆保护层剥离是预应力钢丝应力松弛、管体内外部温度差、保护层收缩共同作用的结果。最后采用改进支持向量机(SVM)响应面方法研究了PCCP抗裂可靠度,结果表明:混凝土抗拉强度和混凝土变异性,以及内压变化对抗裂可靠度影响较大,而预应力钢筋截面面积、有效预应力以及埋深的变异性对抗裂可靠度影响相对较小。