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

1、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinde,Pipe,PCCP)以其承載能力強(qiáng)、抗?jié)B性好、安裝簡(jiǎn)單,利于施工、抗震性能好、對(duì)地基適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)正越來越廣泛地應(yīng)用于區(qū)域調(diào)水、城市供水等國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)工程中,PCCP已經(jīng)被列入《中國(guó)城市供水行業(yè)2000年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃》。而目前國(guó)內(nèi)外對(duì)PCCP承載機(jī)理、破壞特征、結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)的研究還不甚成熟,特別是PCCP原型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)幾乎為空白。為此,本論文在國(guó)家“十一五”

2、科技支撐計(jì)劃《超大口徑PCCP管道結(jié)構(gòu)安全與質(zhì)量控制研究》和國(guó)家自然科學(xué)基金《基于FEMOL的大口徑PCCP管結(jié)構(gòu)計(jì)算和安全評(píng)價(jià)》的資助下對(duì)PCCP進(jìn)行了詳細(xì)的力學(xué)特性分析和結(jié)構(gòu)安全性能試驗(yàn)研究和理論分析。
　　 共進(jìn)行了7根原型PCCP的承載性能試驗(yàn):1根4m直徑PCCP外載試驗(yàn)；2根4m直徑PCCP斷絲試驗(yàn)；1根4m直徑PCCP內(nèi)水壓試驗(yàn)；1根4m直徑松弛管內(nèi)水壓試驗(yàn)和2根2m直徑裂縫管試驗(yàn)。試驗(yàn)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(jī)割斷鋼絲來模擬斷絲進(jìn)行斷絲后PCCP承載能力的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)；針對(duì)裂縫現(xiàn)狀,選取典型裂縫管進(jìn)行裂縫管的承載能力結(jié)構(gòu)試驗(yàn)；選取預(yù)應(yīng)力松弛管,進(jìn)行松弛管與原型管內(nèi)水壓承載的對(duì)比試驗(yàn)。
　　 從普通混凝土裂縫產(chǎn)生機(jī)理出發(fā),分析了PCCP裂縫的分布形式和產(chǎn)生機(jī)理?；诂F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與非線性有限元,進(jìn)行了PCCP裂縫的結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià),計(jì)算分析認(rèn)為:管芯混凝土外壁縱向裂縫為非危害性裂縫,基于試驗(yàn)

4、和計(jì)算結(jié)果,借鑒國(guó)外先進(jìn)國(guó)家的PCCP制造經(jīng)驗(yàn),提出了防治PCCP裂縫的措施。對(duì)PCCP長(zhǎng)期運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的斷絲問題進(jìn)行了試驗(yàn)研究和計(jì)算分析。采用等效降溫法施加預(yù)應(yīng)力和桿單元模擬鋼絲,進(jìn)行了實(shí)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(yù)應(yīng)力松弛值與內(nèi)水壓的定量關(guān)系。
　　 采用擬解析法進(jìn)行了PCCP內(nèi)水壓承載全過程分析。根據(jù)環(huán)形預(yù)應(yīng)力作用機(jī)理,以彈性理論為基礎(chǔ),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(jì)算結(jié)果、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較,三者結(jié)果吻合較好。
　　 最后,將分析研究成果運(yùn)用于南水北調(diào)中線工程,提出的PCCP結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)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(jì)效益。進(jìn)行的足尺現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)水壓和外載試驗(yàn)成果為PCCP規(guī)范制定提供科學(xué)依據(jù)。
　　 論文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在:
　　 (1)對(duì)超大口徑PCCP原型管

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