超大口徑PCCP結(jié)構(gòu)安全性能試驗與數(shù)值分析研究.pdf

1、預應力鋼筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinde,Pipe,PCCP)以其承載能力強、抗?jié)B性好、安裝簡單,利于施工、抗震性能好、對地基適應性好等優(yōu)點正越來越廣泛地應用于區(qū)域調(diào)水、城市供水等國家基礎建設工程中,PCCP已經(jīng)被列入《中國城市供水行業(yè)2000年技術(shù)進步發(fā)展規(guī)劃》。而目前國內(nèi)外對PCCP承載機理、破壞特征、結(jié)構(gòu)安全評價的研究還不甚成熟,特別是PCCP原型結(jié)構(gòu)試驗幾乎為空白。為此,本論文在國家“十一五”

2、科技支撐計劃《超大口徑PCCP管道結(jié)構(gòu)安全與質(zhì)量控制研究》和國家自然科學基金《基于FEMOL的大口徑PCCP管結(jié)構(gòu)計算和安全評價》的資助下對PCCP進行了詳細的力學特性分析和結(jié)構(gòu)安全性能試驗研究和理論分析。
　　 共進行了7根原型PCCP的承載性能試驗:1根4m直徑PCCP外載試驗；2根4m直徑PCCP斷絲試驗；1根4m直徑PCCP內(nèi)水壓試驗；1根4m直徑松弛管內(nèi)水壓試驗和2根2m直徑裂縫管試驗。試驗得出了原型PCCP分別在外載

3、和內(nèi)水壓作用下的承載能力和破壞特征；采用非常規(guī)方法:用切割機割斷鋼絲來模擬斷絲進行斷絲后PCCP承載能力的結(jié)構(gòu)試驗；針對裂縫現(xiàn)狀,選取典型裂縫管進行裂縫管的承載能力結(jié)構(gòu)試驗；選取預應力松弛管,進行松弛管與原型管內(nèi)水壓承載的對比試驗。
　　 從普通混凝土裂縫產(chǎn)生機理出發(fā),分析了PCCP裂縫的分布形式和產(chǎn)生機理。基于現(xiàn)場試驗與非線性有限元,進行了PCCP裂縫的結(jié)構(gòu)安全評價,計算分析認為:管芯混凝土外壁縱向裂縫為非危害性裂縫,基于試驗

4、和計算結(jié)果,借鑒國外先進國家的PCCP制造經(jīng)驗,提出了防治PCCP裂縫的措施。對PCCP長期運行過程中可能出現(xiàn)的斷絲問題進行了試驗研究和計算分析。采用等效降溫法施加預應力和桿單元模擬鋼絲,進行了實際埋置PCCP斷絲承載性能分析,給出了各極限狀態(tài)下斷絲數(shù)與內(nèi)水壓的定量關(guān)系以及鋼絲預應力松弛值與內(nèi)水壓的定量關(guān)系。
　　 采用擬解析法進行了PCCP內(nèi)水壓承載全過程分析。根據(jù)環(huán)形預應力作用機理,以彈性理論為基礎,采用擬解析法得出了各受壓

5、狀態(tài)的內(nèi)水壓值；并將理論計算結(jié)果、現(xiàn)場試驗和數(shù)值計算結(jié)果進行分析比較,三者結(jié)果吻合較好。
　　 最后,將分析研究成果運用于南水北調(diào)中線工程,提出的PCCP結(jié)構(gòu)安全評價為南水北調(diào)中線工程的順利通水提供了技術(shù)支持,提出的處理措施為業(yè)主和企業(yè)所采納,為工程節(jié)省了投資,具有良好的經(jīng)濟效益。進行的足尺現(xiàn)場內(nèi)水壓和外載試驗成果為PCCP規(guī)范制定提供科學依據(jù)。
　　 論文主要創(chuàng)新點體現(xiàn)在:
　　 (1)對超大口徑PCCP原型管

6、(完整管、裂縫管、預應力損失管和鋼絲斷絲管道)進行(外載、內(nèi)壓)承載能力試驗,進行了4m直徑PCCP內(nèi)水壓和三點法外載試驗,對PCCP受力特點,受力狀態(tài),破壞特征等一系列PCCP承載機理進行了理論分析；對4m直徑PCCP進行斷絲三點法外載試驗,采用人工切割鋼絲,模擬實際斷絲情況,分別進行先壓后斷和先斷后壓的承載試驗,得出的鋼絲應力變化為數(shù)值計算提供重要試驗數(shù)據(jù)；針對PCCP管芯混凝土裂縫與預應力松弛現(xiàn)象,進行了裂縫管與完好管、松弛管與完