缠丝张拉应力对PCCP受力性能的影响研究

董 乐 王法武 杨 杰

(南京航空航天大学航空宇航学院，江苏 南京 210000)

缠丝张拉应力对PCCP受力性能的影响研究

董 乐 王法武 杨 杰

(南京航空航天大学航空宇航学院，江苏 南京 210000)

采用有限元软件ANSYS对PCCP预应力施加过程进行了有限元模拟，分析了缠丝完成后钢丝及混凝土管芯中预应力的大小和分布，并通过对不同初始张拉应力缠丝的PCCP管进行内水压加载模拟试验，研究了钢丝张拉应力波动对管道结构受力性能的影响，以供参考。

PCCP，ANSYS仿真分析，初始张拉应力，受力性能

1 概述

预应力钢筒混凝土管简称PCCP，是一种技术先进、应用范围广泛的新型管材。PCCP由混凝土管芯、钢筒、高强预应力钢丝和砂浆保护层四部分组成(如图1所示)，它集合了混凝土管和钢管的优点，具有良好的受力和使用性能，被越来越多的应用于大范围输水工程中。

目前缠丝工艺一般采取差速法进行，差速法是指利用放出钢丝的速度低于混凝土管芯的缠绕速度，从而使钢丝处于受拉状态以提供初始的预应力。钢丝中预应力的大小直接影响到PCCP结构的承载性能，其中管芯弹性变形、钢丝松弛和混凝土管芯的徐变收缩都会引起预应力大小的变化。

根据ANSI/AWWA C304[1]中规定：预应力钢丝的设计毛拉应力(即缠丝时钢丝内应力)为该规格钢丝的最小抗拉强度的75%，但在实际工程中，由于缠丝过程中各种因素的影响，实际预应力会有所波动。钢丝预应力的增加，既能提高混凝土的抗裂性能，又会使管道结构延性降低。

关于钢丝初始预应力对管道性能影响方面的研究主要有：

包正东[2]分析了超张拉环向预应力钢筋对预应力混凝土管性能的影响，超张拉增大了钢筋的应力腐蚀能力，从而影响了管材的耐久性；

张玲等[3]结合试验分析了预应力钢丝松弛对PCCP安全性能的影响，并结合设计规范计算出不同钢丝预应力在不同松弛量下的内水压值；

滕海文等[4]研究了不同钢丝应力对PCCP结构性能的影响，发现应力越大管材的抗裂性能越高延性越低，推导了预应力钢丝最大张拉控制应力的一般公式。

本文结合文献[5]中现场4 m直径PCCP原型试验的研究背景，对PCCP缠丝过程中预应力施加的效率和应力波动进行了分析，通过施加不同钢丝预应力，模拟预应力大小变化对管道结构安全性能的影响，最后分析了不同初始预应力对PCCP受力性能的影响。

2 工程概况

计算工程实例采用的是埋置式预应力钢筒混凝土管(PCCP-E)，共四种材料：C60商用混凝土、Q235B钢筒、1570-WCP-9预应力钢丝和M50砂浆。单节PCCP管长5 m，内径为4 m。PCCP管长为5 m，内径4 m，钢筒外径4.183 m，钢筒厚度0.002 m，管芯厚度0.35 m，保护层厚度0.032 m，钢丝实际直径0.007 m，实际缠丝量2.694×10-3m2/m。

材料参数如表1所示。

表1 材料参数表

3 有限元模型

本文采用ANSYS有限元软件建立PCCP的三维有限元模型。为了更好地分析钢丝预应力的作用机理，采用预应力钢丝、钢筒和混凝土管芯分别模拟的分离模型，保证管芯轴向网格划分间距与钢丝的螺距相吻合。采用共用节点的方式模拟不同材料界面之间的连接，忽略粘结滑移效应。混凝土管芯和砂浆保护层采用Solid65单元模拟，采用Shell181单元模拟钢筒，采用Link8单元来模拟预应力钢丝。

为更好的研究PCCP的性能，必须合理地选择材料的本构模型、屈服准则和破坏准则。混凝土管芯和钢丝本构关系采用多线性等向强化模型MISO，钢筒采用双线性等向强化模型BISO，进行材料非线性分析。破坏准则采用既能描述低静水压力区混凝土性能，又能描述高静水压力区混凝土性能的Willam-Warnke五参数破坏模型。

各材料应力应变关系见图2～图4。

4 钢丝及管芯中预应力的分布特点

采用等效降温法使钢丝中产生张拉应力，并作用到混凝土管芯产生预压应力。管材在仅受预应力作用时，结构各部分的受力特点分析如下：

1)钢丝应力。

钢丝轴向拉应力沿着管周方向是不变的，即同一圆周钢丝应力是均匀的；但沿管长方向分布不均匀，两个管端受管端效应的影响，应力值会偏小，如图5所示。

2)混凝土管芯应力。

沿着管周方向，混凝土管芯预压应力的值是常数；沿着管长方向，混凝土管芯应力值是变化的，在管的两端，压应力略大，如图6所示；沿着管径方向，混凝土的预压应力值从内向外是逐渐减小的，内管芯的压应力大于外管芯压应力，见图7。

3)钢筒应力。

钢筒的环向压应力沿管周方向是均匀的，为定值；沿着管长方向环向压应力的值是不同的，两端的应力值略小；即钢筒的环向应力变化趋势与混凝土管芯的应力变化是一致的。

5 内水压加载分析

具体步骤为首先单独施加预应力，在此基础上内水压逐渐增加到2 MPa，根据计算结果可以分析得出预应力对结构受力性能的影响。

图8和图9分别为钢丝应力和内管芯等效应力随荷载步的变化图，等效应力即Von Mises等效应力，其计算公式为：

由图8和图9可以看出PCCP管在内水压作用下的破坏过程：管芯混凝土经缠丝后，受到环向预应力，在承受内水压初期以初始环向预应力来抵消内水压，随着内水压的增大，混凝土逐渐转变为受拉状态，预应力钢丝和钢筒则始终处于受拉状态。钢丝应力以及管芯应力是随着内水压加大而逐渐增加的，直到钢丝进入塑性；施加内水压，钢丝应力平稳增加，此时内水压力主要是由混凝土承载；当混凝土进入破坏阶段，混凝土不再承载，此时钢丝轴应力突然增加，主要由钢丝和钢筒承载，标志PCCP管破坏。

6 不同初始张拉应力缠丝的PCCP管内水压承载特点

美国规范规定预应力钢丝的初始张拉应力钢丝的名义抗拉强度的75%，中国规范为70%。但在实际工程中，由于缠丝过程中各种因素的影响，实际预应力会有所波动，本文分别按最小抗拉强度的70%，75%，80%施加钢丝的初始张拉应力值，分析预应力波动对PCCP安全性能的影响。按不同初始张拉应力缠丝的PCCP管承受内水压时，混凝土的开裂过程是相似的，即管芯混凝土的内表面首先出现裂缝，随着内水压的增大，管体结构破坏不断加大，直至最后破坏。不同初始张拉应力的PCCP管在内水压作用下的钢丝应力如图10所示，管芯破坏时对应的内水压值如表2所示。

表2 不同初始张拉应力参数汇总表

初始张拉应力/%降温值℃钢丝应力MPa管芯破坏内水压/MPa管芯破坏内水压增加值/MPa70467.44843.71.75—75591.961024.71.950.2080631.421082.020.05

从图10中可以得出：三种不同初始张拉应力缠丝后的PCCP管，受内水压作用时的应力变化曲线是类似的。随着初始张拉应力的增加，钢丝中的初始预应力越大，管芯混凝土破坏时的极限内水压也越大。但是从表2可以看出初始张拉应力从70%提高到75%，极限内水压增加值为0.2 MPa，而从75%提高到80%极限内水压增加值仅为0.05 MPa。也就是说，初始张拉应力超过75%抗拉强度后，结构在内水压下的承载能力没有大的提高。

7 结语

本文在不考虑其他因素影响条件下，分析了预应力沿管长方向的分布以及不同的钢丝初始预应力对管体结构受力性能的影响。研究结果表明：缠丝后一节PCCP管的两端，管芯压应力较管中段较大，而钢丝拉应力较小；增加钢丝初始张拉应力可提高管子的内水压承载能力，但超过75%钢丝抗拉强度后提高幅度很小。

[1] American National Standards Institute,ANSI/AWWA C304, Design of Prestressed Concrete Cylinder Pipe[S].Denver,Colorado:American Water Works Association,2007.

[2] 包正东.环向预应力钢筋超张拉分析及其对预应力管质量的影响[J].混凝土与水泥制品，1994(1):39-40.

[3] 张 玲,沈 捷.预应力钢丝松弛对超大口径PCCP承载能力的影响[J].水利水电科技进展，2010,30(5):69-72.

[4] 滕海文,张萧杰,代春生.预应力钢丝应力对PCCP性能的影响分析[J].特种结构,2013,30(5):37-40.

[5] 胡少伟.预应力钢筒混凝土管(PCCP)结构承载安全评价理论与实践[M].北京:中国水利水电出版社,2011.

The influence research on winding tension stress to PCCP stress performance

DONG Le WANG Fa-wu YANG Jie

(Aeronautics and Astronautics College, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210000, China)

This paper made finite element simulation using the finite element software ANSYS in PCCP pre-stress applied process, analyzed the size and distribution of pre-stressed in steel and concrete tube core after winding completion. And through the inner water force loading simulation test of PCCP pipe to different initial tension stress winding, researched the influence of wire tension force fluctuation to pipe structure stress performance, for reference.

PCCP, ANSYS simulation analysis, initial tensile force, stress performance

1009-6825(2014)18-0042-03

2014-04-13

董 乐(1989- )，女，在读硕士； 王法武(1978- )，男，副教授； 杨 杰(1976- )，男，副教授

TU311

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