基于Abaqus的PCCP管道力学特性分析

陈红刚

（大连理工大学工程抗震研究所，辽宁 大连 116024）

0 引言

预应力钢筒混凝土管PCCP是近年在我国开始使用的新型管道材料，是一种技术先进的复合管，既具有混凝土压力管的优点，又兼备钢管优点，其结构安全合理，具有强度高，抗渗性好，耐久性强等优点，且价格较低。PCCP的综合优势十分明显，在大口径输水管线选材时，已越来越显示出其优越性和竞争力。

大伙房水库输水应急入连工程为跨流域调水工程，根据地理条件，需设两座加压泵站保证输水完成。由此导致加压泵站出口一定距离内属高压区范围。管线长度约15 km范围为1.4 MPa的高压区，为此对管材适应性要求高，加之本工程输水管径为2.8 m，从而使输水管的工作难度系数加大。在约15 km长度范围这种工况在国内是仅有的工程。针对这种特殊的工段，建立有限元模型进行静力计算，考虑施工期间不同埋深情况下，管内不受水压力作用之后在正常运行期受到高压水的作用情况下管体的受力状况。

1 PCCP管道的静力分析

对于长距离输水管道，一般可以取某个截面进行分析时属于平面应变问题。该文采用的计算模型宽度100 m，高度40 m，开挖区深度14 m。模型中四边形单元采用了四节点平面应变单元（CPE4），三角形单元采用了三节点平面应变单元（CPE3）。土体的本构方程采用了修正的摩尔库伦本构方程，考虑输水管本身是预应力混凝土结构强度较高，发生塑性变形和屈服的可能性不大，故输水管本身采用了线弹性材料。

在静力计算分析中，对管道埋深分为2 m和8 m进行计算分析，来讨论PCCP管道的应力分析规律。在大伙房水库引水入连工程中，水压力的最大设计值为1.4 MPa，在这么大的水压力作用下输水管管体应力很大，其中最顶端和最底端的应力较大，中部应力较小。在不考虑管体预应力的情况下管体的应力值较大，拉应力超过了混凝土的抗拉极限，而压应力仍有富余，所以从这里可以看出预应力钢筒混凝土管可以很好的发挥混凝土的力学性能，使材料得到充分的利用。

2 PCCP管道的参数敏感性分析

在计算中根据现实中管道埋深，取管道埋深分别为 2，3，4，5，6，7，8 m 进行计算。在计算中统一采用埋深为8 m的有限元模型，只是在计算别的埋深时将多余部分单元进行处理，即将其刚度和质量变为零，这样在计算中就和没用这部分的效果是相同的，可以大大减少前处理的工作量。

在计算埋深对管体应力的影响时假设管道不承受水压力，仅受重力和周围土体的作用。这样可以排除其他因素的干扰，直接表现出筒体应力与埋深变化的关系，以便于得出有用的结论。见图1，2。

由图1，2可看出：埋深不同时，上部的土压力对管道的压力会相应的变化。对于不同的埋深，应力分布的规律基本一致，mises应力的最大值出现在通体的中部，最小值出现在筒体的顶部；环向应力的最大值（最大的拉应力）出现在筒体的最低点内侧，而最小值（最大的压应力）出现在筒体最低点是外侧。随着埋深的增加，环向应力和mises应力均增大，但是mises应力的增大速度要明显大于环向应力，两者随埋深的增加呈线性关系增加。

图1 mises应力随埋深变化图

图2 环向应力随埋深变化图

PCCP设计中内水压力是一个不可忽略的值，而PCCP正是由于能够承受较高的水压，以及良好的防渗性，得以在大口径长距离输水管道中体现出其优势。由于实例工程输水距离较远，地质条件复杂，采用了加压输水的方法，在中途设置了两座加压泵站保证输水完成。这就导致了部分管道要在高压状态下工作，而且部分区段的压力较高。所以有必要对输水压力对管体应力的影响加以研究。为了简化计算，采用了在3 m埋深时的模型对水压力的影响进行了研究。水压力的变化范围从0.8～1.4 MPa。见图 3，4。

图3 mises应力随水压力变化图

图4 环向应力随水压力变化图

由压力对于输水管道的影响非常明显，最大mises应力和最大环向应力与静水压力基本呈现出正比的关系，而且比例系数非常大，也就是说随着静水压力的增大，环向应力和mises应力增大的速度是非常快的。这说明静水压力对管道应力的影响非常明显，在设计和施工过程中要作为主要荷载进行重点考虑。

3 结语

1）PCCP管道在工程应用中的应力分布规律。Mises应力的最大值出现在通体的中部，最小值出现在筒体的顶部；环向应力的最大值（最大的拉应力）出现在筒体的最低点内侧，而最小值（最大的压应力）出现在筒体最低点是外侧；计算分析可以知道PCCP管道能很好的发挥混凝土的抗压性能，在工程中需要注意其拉破坏情况。

2）对于不同的埋深，PCCP管道的应力分布的规律基本一致。随着埋深的增加，两者随埋深的增加呈线性关系增加，环向应力和Mises应力均增大，但Mises应力的增大速度要明显大于环向应力。

3）静水压力对于PCCP管道的作用效应非常明显，最大mises应力和最大环向应力与静水压力基本呈现出正比的关系且比例系数非常大，说明静水压力对管道应力的影响非常明显，这和人们在工程实际的经验相一致，同时也提醒广大工程技术人员在设计和施工过程中要把静水压力作为主要荷载进行考虑。

[1]国家质量监督检验检疫总局.GB/T19685-2005，预应力钢筒混凝土管[S].

[2]中国工程建设标准化协会.给水排水工程埋地管芯缠丝预应力混凝土管和预应力钢筒混凝土管管道结构设计规程[S].CECS140:2002.