不同边界条件下PCCP弯管的动力响应分析

郭琪璇 白 冰 李鹏辉

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)

不同边界条件下PCCP弯管的动力响应分析

郭琪璇 白 冰 李鹏辉

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)

建立了预应力钢筒混凝土管(PCCP)弯管的三维有限元模型。分析计算了PCCP弯管在地震作用下的动力响应。考虑了三种不同的边界条件：简单边界条件、粘性边界条件和粘弹性边界条件。通过对比三种边界条件的计算结果，得出粘弹性边界是最接近实际情况的人工边界。计算结果可供类似结构抗震设计参考。

预应力钢筒混凝土管(PCCP)，弯管，有限元法，边界条件，动力响应

1 概述

预应力钢筒混凝土管(PCCP)作为一种新型复合型管材，不仅能够承受较高内压和外荷载，并且具备良好的抗渗性、耐久性与较高的通水能力。同时，它的安装便捷快速且生产成本又低，因而被世界各个国家广泛应用。在我国，PCCP主要应用于水利、电力、市政给排水等基础建设工程当中[1,2]。

但由于我国PCCP的研究起步较晚，大多数工程PCCP的设计和生产完全采用美国有关标准和手册。然而完全采用AWWA标准是不现实的，其结果会使管道制造质量参差不齐，导致工程风险[3-5]。且前期对于PCCP开裂问题的研究大多仍然停留在静力学分析上，对于动力分析方面研究较少。因此，对于PCCP结构开展动力分析研究很有必要[6]。本文拟在考虑不同边界条件的情况下，对PCCP弯管进行地震动力响应分析，以及分析不同边界条件对于PCCP弯管动力响应的影响。

2 PCCP弯管模型的建立

本文是研究PCCP弯管的三维动力分析，主要考虑的是PCCP弯管在地震作用下边界条件的对比和选择，因此，在建模过程中对PCCP弯管进行了简化，把中间的钢筒用混凝土来进行换算，通过钢筒和混凝土之间的弹性模量关系，进行相应的换算，以达到简化的结果。

2.1单元的选取

本文使用ANSYS软件建模。在建模过程中，管体的混凝土单元选取的是Solid65，高强预应力钢丝单元选择的是Link8。

关于边界条件，粘性边界和粘弹性边界均采用Combin14单元，该单元具有一维、二维或三维轴向或扭转的性能，在模拟粘性边界时，令弹簧的刚度K=0，只保留阻尼器功能，该单元能够很好的模拟粘性边界和粘弹性边界条件。

2.2PCCP弯管模型参数

PCCP弯管以及周围土体模型几何尺寸参数为：管道内径取2.2 m，管芯混凝土的厚度取140 mm，钢筒的厚度取1.5 mm，预应力钢丝直径为5 mm，缠丝间距为11.8 mm，缠丝的横截面积为1.962 5×10-6mm2，其中钢筒的厚度如之前所述的简化，根据钢筒和混凝土之间的弹性模量之比，将钢筒变为了厚度增大10倍的混凝土层，即将原来1.5 mm的钢筒等效为15 mm的混凝土层，并在ANSYS中建立模型当中对预应力钢丝进行了适当简化，即在建立的模型当中把预应力钢丝的间距变大，然后放大相应的预应力钢丝的横截面积，方便之后的网格划分和计算，外部保护层的厚度取30 mm，管体上部覆土取3 m，整体所取模型X方向取44 m，Y方向取20 m，Z方向取44 m，相应的材料参数见表1，结构的集合模型和有限元模型见图1～图3。

表1 模型部分材料参数表

其中关于垫层回填与修正要求垫层的最小厚度为450 mm，管道下的垫层最小厚度为150 mm，管沟的最小宽度要比管道的外径宽1 200 mm，同时要求不超过500 mm夯实一次，最低压实度为70%，本文根据要求取垫层厚500 mm，管道下的垫层厚度h1=150 mm，h2=350 mm，管沟的作业宽度一边600 mm，修整成形的垫层轮廓如图4所示。

3 不同边界条件下PCCP弯管的地震响应分析

3.1地震波的选取

本文选取南水北调河南省南阳段的PCCP为研究对象，该地区属于7度设防区，峰值加速度为0.035g，选用的波为天津波的南北向地震加速度记录，天津波的地震波时长为19.19 s，本文对天津波的地震加速度进行了适当的调整，保持原来的频率，以符合该地区的状况。

3.2不同边界条件下PCCP弯管的地震响应

在对简单边界、粘性边界和粘弹性边界条件进行对比时，选用的PCCP弯管结构的参数为：场地选择为粉土，粉土密度为1 871 kg/m3，弹性模量为58 MPa，泊松比为0.34，管道内径取2.2 m，管芯混凝土的厚度取140 mm，钢筒的厚度如前所述等效转换为15 mm的混凝土层，外部保护层的厚度取30 mm，管体上部覆土取3 m，整体所取模型X方向取44 m，Y方向取20 m，Z方向取44 m，本文沿管道顶部轴向依次取7个典型节点即节点354，311，2 119，2 122，2 125，2 083，3 696作为研究对象，来对比分析结构在三种不同边界条件下的动力特性，选取点的位置如图3所示。

3.3时程分析结果

在时程分析当中，这7个典型节点在简单边界、粘性边界、粘弹性边界条件下的三向应力应变进行分析，其中第一主应力峰值与第一应变峰值见图5，图6，第二与第三应力应变峰值与其结果相同，故不再赘述。

通过7个典型节点的第一主应力峰值与第一应变峰值数据图表可以直观的看出，在不同的边界条件下，弯管所受的应力和应变均有明显区别：简单边界条件下典型节点的应力应变峰值相对较小，粘性边界条件下典型节点的应力应变峰值最大，粘弹性边界条件下典型节点的应力应变峰值居中。这是由于简单边界只是简单的对模型的边界进行了固定约束，没有考虑现实状况下在土壤中穿过的过程，也没有考虑波在真实状况下在土壤中的传播，这与实际工程当中所考虑的有限范围内的地震波及其传播不相符，因此，对计算结果的精度有很大影响。而粘性边界条件相对于简单边界条件来说精度要好一些，但是相对于粘弹性边界条件而言要差一些，粘弹性边界条件是在所选取的模型边界上赋予弹簧阻尼单元，它可以弥补粘性边界条件的不足，并且在应用过程中也拥有很好的稳定性。另外通过数据发现，节点在靠近弯管处要比直管处的应力值和应变值要大，并且节点2 083处的应力明显比其他部位要大，这也说明了与直管段相垂直的地震波造成管体与土壤之间有相互作用，导致弯管和直管接管处的应力和应变值比较大。

4 结语

经过上述计算分析，可以得出如下结论：

1)在地震波作用下，弯管与直管连接处的应力和应变值均比直管处的大；

2)粘弹性边界条件下，典型节点所受的应力介于简单边界条件和粘性边界条件中间，相对来说比较理想，并且在应用过程中也拥有很好的稳定性，适合工程研究当中对精度的要求。

[1] 余洪方．PCCP管产品质量及管道工程耐久性和安全性的必要措施探讨[J].混凝土与水泥制品，2011(9)：28-30.

[2] 张树凯．预应力钢筒混凝土管(PCCP)发展回顾与前景展望——PCCP已成为我国21世纪铺设高工压、大口径输水管道的首选管材[J]．辽宁建材，2009(6)：14-17．

[3] 王倩玲，杨 杰，王法武．预应力钢筒混凝土管(PCCP)数值仿真分析综述[J]．山西建筑,2013，39(2)：24-26．

[4] 折学森．填埋式管道垂直土压力的计算[J]．西北建筑工程学院学报，1993(1)：28-35．

[5] 瞿小莉．大直径圆通结构土压力研究[D].大连：大连理工大学硕士学位论文，2005．

[6] 李鹏辉．地下埋置预应力钢筒混凝土管(PCCP)弯管的三维动力分析[D]．郑州：华北水利水电大学，2017．

DynamicresponseanalysisofPCCPelbowunderdifferentboundaryconditions

GuoQixuanBaiBingLiPenghui

(NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450045,China)

The 3-D FE models of Prestressed Concrete Cylinder Pipe(PCCP) elbow were established. The dynamic response of PCCP elbow under earthquake was calculated and analyzed. Three different boundary conditions were considered: simple boundary condition, viscous boundary condition and viscoelastic boundary condition. The comparison of results shows that the viscoelastic boundary is the artificial boundary closest to the actual situation. The results can be used as reference for similar structural seismic design.

Prestressed Concrete Cylinder Pipe(PCCP), elbow, finite element method, boundary condition, dynamic response

TU311.3

A

1009-6825(2017)27-0050-03

2017-07-13

郭琪璇(1991- )，女，在读硕士