预应力损失对BCCP管道安全性影响研究

胡少伟 孙岳阳 薛翔 陆俊

摘要：钢筋缠绕钢筒混凝土压力管（BCCP）是一种由传统的预应力钢筒混凝土管改进而来的新型复合管材，具有较好的应用前景。为研究预应力损失对此种新型管道安全性的影响，借助有限元软件ABAQUS建立了三维有限元模型，考虑材料非线性，计算了不同预应力损失下BCCP达到3种极限状态对应的内水压极限值。结果表明：工作极限状态和弹性极限状态下的内水压随预应力损失量的增加而降低，而强度极限状态下的内水压随预应力损失量的增加而增加，预应力损失降低了BCCP正常工作的承载性能，但不会影响最终的屈服破坏。研究结果对该管型在工程中的应用具有一定的参考价值。

关键词：BCCP; 预应力损失; 有限元模型; 极限状态; 内水压

中图法分类号： TU378文献标志码： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.035

钢筋缠绕钢筒混凝土压力管（Bar-wrapped Cylinder Concrete Pressure Pipe，简称BCCP）是针对传统的预应力钢筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，简称PCCP）而研发的新产品，为PCCP的升级产品。BCCP管是由带钢筒的高强混凝土管芯在缠绕预应力钢筋后，再浇注以粗纤维细石混凝土保护层制成的新型复合型管材，结构如图1所示[1-10]。与传统的PCCP相比，BCCP有以下几个特点：① 使用冷轧带肋预应力钢筋，钢筋应力等级低，克服了高应力造成的钢筋应力脆化问题[5-7];② 使用较厚钢筒，PCCP钢筒厚度一般为1.5mm，而BCCP使用2 mm厚钢筒，抗渗性能更好，承压能力更高，纵向刚度增加[8-9];③ 在带肋钢筋上浇筑C50粗纤维细石混凝土保护层，具有更密实、高强、抗拉、防腐的优越性能[10-14]。

不管是PCCP还是BCCP，预应力都是整管强度的保证，是否能够使用长久取决于预应力钢筋的寿命。但是，经过长期放置或者埋地运行的管道都会存在不同程度的预应力损失现象[2，3，5，7]。据此，本文主要采用有限元模拟方法，研究在不同预应力损失情况下BCCP承受内水压的能力，给出预应力损失对BCCP结构安全的影响评价，供工程设计人员提供参考，以利于该新型管道的进一步推广使用。

1BCCP模型的建立

建立模型的BBCP管，管徑为1 800 mm，相关设计参数如表1所示。

1.1模型基本假定

本文采用ABAQUS有限元软件建立BCCP管道非线性有限元模型，根据BCCP制作和应用过程中的受力特点，考虑实际工程条件和满足分析结果的基础上，对BCCP有限元模型做以下简化假设[6-7]：① 不考虑几何非线性，只考虑材料的非线性;② 小变形假设;③ 不考虑混凝土与钢筒之间的粘结滑移效应;④ 假设预应力钢筋与管芯及保护层之间位移连续;⑤ 不考虑混凝土材料的收缩、徐变等效应对管体结构受力的影响。

1.2有限元模型建立

管芯混凝土和保护层混凝土均采用实体单元C3D8R单元模拟，这种三维实体单元有8个节点，每个节点有3个自由度;钢筒属于薄壁结构，采用薄壳单元S4单元模拟;预应力钢筋采用梁单元Beam单元模拟[8]。各部位建模时采用分离式模型单独建模，假设钢筒与混凝土、混凝土与预应力钢筋、预应力钢筋与混凝土保护层均为完全接触，各层之间不会产生相对滑移和脱空，有限元计算模型如图2所示。

1.3材料本构

1.3.1混凝土本构模型

混凝土本构模型采用ABAQUS软件中的塑性损伤模型（Concrete Damaged Plasticity）[9-10]。该模型考虑了材料拉压性能的差异，与实际的混凝土破坏方式一致，有受压破碎和受拉开裂两种最终破坏方式，结合了混凝土的各向同性弹性损伤和塑性拉伸及压缩来模拟混凝土的非线性行为。混凝土压缩屈服后，先硬化后软化，受压损伤的应力-应变曲线如图3（a）所示：开始阶段为线弹性阶段，当达到受压屈服强度时，应力-应变关系变为曲线，进入硬化阶段，直到达到极限抗压强度，之后进入软化阶段，拉伸屈服后则只有软化，初始阶段与受压初始阶段一样，为线弹性阶段，达到开裂应力后则进入受拉软化阶段。受压和受拉线弹性阶段的弹性模量相同，压缩破坏和拉伸破坏的损伤因子不同。

受压损伤后混凝土的应力-应变关系如式（1）所示

σc=（1-dc）Ec（εc-εplc）（1）

式中，σc为混凝土压应力;dc为受压损伤系数，取值范围为0～1，dc=0表示混凝土没有受压损伤，dc=1表示混凝土完全受压破坏;Ec为混凝土弹性模量;εc为混凝土受压应变;εplc为混凝土受压塑性应变。

图3混凝土塑性损伤本构模型Fig.3Concrete damage plasticity constitutive model

受拉损伤后混凝土的应力-应变关系如式（2）所示

σt=（1-dt）Ec（εt-εplt）（2）

式中，σt为混凝土受拉应力;dt为受拉损伤系数，取值范围为0～1，dt=0表示混凝土没有受拉损伤，dt=1表示混凝土完全受拉破坏;Ec为混凝土弹性模量;εt为混凝土受拉应变;εplt为混凝土受拉塑性应变。

混凝土相关参数如表2所示。

1.3.2预应力钢筋本构模型

预应力钢筋的本构模型采用如式（3）应力应变关系[11]，应力-应变曲线如图4所示。

fs=εsEsεs

fs=fsu{1-[1-0.6133（εsEs/fsu）]2.25}εs>fsg/Es（3）

式中，fs为预应力钢筋受拉应力，fsu为预应力钢筋抗拉强度;fsg为钢筋张拉应力，fsg=0.72fsu;Es为预应力钢筋弹性模量;fsy为预应力钢筋屈服应力，抗拉强度的85%，fsy=0.85fsu。

预应力钢筋相关参数如表3所示。

1.3.3钢筒本构模型

根据厂家提供的资料，钢筒的抗拉屈服强度设计值fyy=235 MPa，采用理想的弹塑性应力应变关系，关系曲线如图5所示。

钢筒相关参数如表4所示。

1.4预应力的模拟

有限元软件中通常有4种方法来模拟钢筋预应力：等效荷载法、初始应变法、初始应力法和等效降温法[12-15]。

等效荷载法将预应力钢筋以荷载的形式作用于混凝土结构上，忽略钢筋层的刚度对整个结构的贡献，也不承担任何外部荷载，这样按照环向预应力作用机理，将钢筋预应力等效为作用在混凝土管壁上的等效径向荷载进行施加，其等效荷载p计算公式表示为

p=fsgAsRsds（4）

式中，fsg为预应力钢筋的张拉预应力;As为钢筋截面积;Rs为管芯外壁的半径;ds为钢筋缠筋螺距。

该方法不需要考虑预应力钢筋的具体位置，建模简单，计算易收敛，BCCP结构受力的整体响应易于得到，但是该方法不能模拟钢筋的真实应力变化，不能考虑预应力钢筋与混凝土管芯和混凝土保护层之间的相互作用。

初始应变法通过建立实体预应力钢筋以及控制初始施加应变值的大小来控制预应力的大小，这种方法真实反映了钢筋应力应变场，但是无法考虑预应力的损失，且单元数量多，计算工作量大。

初始应力法与初始应变法类似，建立实体力筋以及直接给定钢筋的初始张拉应力，但是初始应力会产生初始变形，进行计算分析前需对初始变形场进行平衡迭代，在考虑各个材料非线性的情况下，初始变形场的平衡非常困难，甚至根本不可能完成。

等效降温法是利用等效变形的原理，降低一定的温度，通过物体热胀冷缩使钢筋产生预应力，它可以考虑钢筋的刚度对整个结构的贡献，也可以根据损失的大小调节降温值，计算公式如下：

Δt=fsgEs（5）

式中，Δt为需施加的降温值;fsg为预应力钢筋的张拉预应力;Es为预应力钢筋弹性模量;为预应力钢筋线膨胀系数，本文中取0.000 1。

本文采用等效降温法来模拟BCCP中的钢筋预应力。缠筋时，对钢筋实施降温，保持混凝土管芯以及钢筒的温度不变，鋼筋由于收缩产生等效的张拉初始应力，管芯混凝土以及钢筒均产生与实际情况相似的初始预压应力，混凝土保护层在此过程中不参加程序的执行，能基本真实地模拟预应力钢筋的作用。

1.5分析方法

考虑钢筋无预应力损失，以及预应力损失5%，10%，15%和20%五种情况，相应损失量为0，23，46，69 MPa和92 MPa，对应的降温值为24.63℃，23.40℃，22.17℃，20.94℃和19.71℃。随着内水压的增加，根据BCCP各组成部分先后达到极限状态的顺序，考虑工作极限状态、弹性极限状态和强度极限状态，其中各极限状态对应的判定条件如下[16]：工作极限状态，管芯混凝土进入塑性;弹性极限状态：钢筒开始局部屈服;强度极限状态：预应力钢筋开始局部屈服。

计算不同损失情况下达到各个极限状态所需施加的内水压值，再进行对比分析。

2结果与分析

表5和图6给出了不同损失情况下缠筋后混凝土管芯内表面的初始受压应力。从计算结果可知，缠筋后混凝土管芯内表面受压应力随预应力损失的增加而降低，且呈线性关系，说明模型建立合理，采用等效降温法模拟钢筋预应力是可行的，且预应力钢筋与混凝土管芯之间接触模型选择合理。

不同预应力损失下，3种极限状态的内水压计算结果见表6，曲线图如图7所示。从图7的关系曲线可以看出，预应力损失量与BCCP的工作极限状态、弹性极限状态和强度极限状态对应的内水压基本呈线性关系。不同的预应力损失情况下，工作极限状态和弹性极限状态对应的内水压随预应力损失量的增加而降低，而强度极限状态对应的内水压随预应力损失量的增加而增加。这是由于判定强度极限状态的标准是预应力钢筋的屈服，预应力的损失越大，钢筋的初始拉应力越低，而屈服强度是一定的，钢筋达到屈服强度所需要的内水压更大。这是因为弹性极限状态下的内水压未算出，因为预应力钢筋先于钢筒达到屈服状态，即管道最先达到强度极限状态，无预应力损失和5%预应力损失管的钢筋初始张拉应力比较大，加载后期混凝土早已退出工作，随着内水压的增加，钢筋会更早达到屈服强度。预应力损失为20%时，BCCP达到工作极限状态的内水压为1.0 MPa，相当于工作内压为1.0 MPa时，基本仍能保证BCCP正常工作时的安全性。10%～20%损失下弹性极限状态和强度极限状态对应的内压比较接近，说明管型钢筒厚度和钢筋配筋合理。

3结 论

（1） 借助有限元软件ABAQUS计算分析得到，缠筋后混凝土管芯内表面压应力随预应力损失的增加而降低，且呈线性关系。

（2） BCCP工作极限状态和弹性极限状态下的内水压随预应力损失量的增加而降低，而强度极限状态下的内水压随预应力损失量的增加而增加，预应力损失可以降低BCCP正常工作的承载性能，但不会影响最终的屈服破坏。

（3） BCCP弹性极限状态和强度极限状态下的内水压比较接近，说明此种复合管型钢筒和钢筋的配置合理，值得在我国的水利、电力、市政给排水等各个领域推广使用。

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（编辑：郑 毅）

引用本文：胡少伟，孙岳阳，薛翔，陆俊.预应力损失对BCCP管道安全性影响研究[J].人民长江，2019，50（2）：197-201.

Study on influence of prestress loss on safety of Bar-wrapped Cylinder Concrete Pressure Pipe（BCCP）

HU Shaowei ， SUN Yueyang1，2， XUE Xiang 3， LU Jun

（1.Materials & Structural Engineering Department， Nanjing Hydraulic Research Institute， Nanjing 210024， China;2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering， Hohai University， Nanjing 210098， China;3.College of Mechanics and Materials， Hohai University， Nanjing 211100， China）

Abstract： Bar-wrapped Cylinder Concrete Pressure Pipe（BCCP） is a new type of composite pipe improved from traditional prestressed concrete cylinder pipe， and has good application prospect. In order to study the effect of prestress loss on safety， three-dimensional finite element model was set by finite element software ABAQUS. Considering material nonlinearity and different prestress loss， the internal water limit pressures under three limiting states were calculated by the model. The results showed that the internal water pressure decreases with the increase of prestress loss under working limit state and elastic limit state. However， the internal water limit pressure increases with the increase of prestress loss under strength limit state. Prestress loss can reduce the load performance of normal work， but has no effect on ultimate yield failure. The research results have some reference value for the application of this pipe in engineering.

Key words：BCCP; prestress loss; finite element model; limit state; internal water pressure