基于Abaqus的PCCP管道力學(xué)特性分析

陳紅剛

（大連理工大學(xué)工程抗震研究所，遼寧 大連 116024）

0 引言

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管PCCP是近年在我國開始使用的新型管道材料，是一種技術(shù)先進(jìn)的復(fù)合管，既具有混凝土壓力管的優(yōu)點(diǎn)，又兼?zhèn)滗摴軆?yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)安全合理，具有強(qiáng)度高，抗?jié)B性好，耐久性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且價(jià)格較低。PCCP的綜合優(yōu)勢十分明顯，在大口徑輸水管線選材時(shí)，已越來越顯示出其優(yōu)越性和競爭力。

大伙房水庫輸水應(yīng)急入連工程為跨流域調(diào)水工程，根據(jù)地理?xiàng)l件，需設(shè)兩座加壓泵站保證輸水完成。由此導(dǎo)致加壓泵站出口一定距離內(nèi)屬高壓區(qū)范圍。管線長度約15 km范圍為1.4 MPa的高壓區(qū)，為此對管材適應(yīng)性要求高，加之本工程輸水管徑為2.8 m，從而使輸水管的工作難度系數(shù)加大。在約15 km長度范圍這種工況在國內(nèi)是僅有的工程。針對這種特殊的工段，建立有限元模型進(jìn)行靜力計(jì)算，考慮施工期間不同埋深情況下，管內(nèi)不受水壓力作用之后在正常運(yùn)行期受到高壓水的作用情況下管體的受力狀況。

1 PCCP管道的靜力分析

對于長距離輸水管道，一般可以取某個(gè)截面進(jìn)行分析時(shí)屬于平面應(yīng)變問題。該文采用的計(jì)算模型寬度100 m，高度40 m，開挖區(qū)深度14 m。模型中四邊形單元采用了四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元（CPE4），三角形單元采用了三節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元（CPE3）。土體的本構(gòu)方程采用了修正的摩爾庫倫本構(gòu)方程，考慮輸水管本身是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，發(fā)生塑性變形和屈服的可能性不大，故輸水管本身采用了線彈性材料。

在靜力計(jì)算分析中，對管道埋深分為2 m和8 m進(jìn)行計(jì)算分析，來討論P(yáng)CCP管道的應(yīng)力分析規(guī)律。在大伙房水庫引水入連工程中，水壓力的最大設(shè)計(jì)值為1.4 MPa，在這么大的水壓力作用下輸水管管體應(yīng)力很大，其中最頂端和最底端的應(yīng)力較大，中部應(yīng)力較小。在不考慮管體預(yù)應(yīng)力的情況下管體的應(yīng)力值較大，拉應(yīng)力超過了混凝土的抗拉極限，而壓應(yīng)力仍有富余，所以從這里可以看出預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管可以很好的發(fā)揮混凝土的力學(xué)性能，使材料得到充分的利用。

2 PCCP管道的參數(shù)敏感性分析

在計(jì)算中根據(jù)現(xiàn)實(shí)中管道埋深，取管道埋深分別為 2，3，4，5，6，7，8 m 進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算中統(tǒng)一采用埋深為8 m的有限元模型，只是在計(jì)算別的埋深時(shí)將多余部分單元進(jìn)行處理，即將其剛度和質(zhì)量變?yōu)榱悖@樣在計(jì)算中就和沒用這部分的效果是相同的，可以大大減少前處理的工作量。

在計(jì)算埋深對管體應(yīng)力的影響時(shí)假設(shè)管道不承受水壓力，僅受重力和周圍土體的作用。這樣可以排除其他因素的干擾，直接表現(xiàn)出筒體應(yīng)力與埋深變化的關(guān)系，以便于得出有用的結(jié)論。見圖1，2。

由圖1，2可看出：埋深不同時(shí)，上部的土壓力對管道的壓力會相應(yīng)的變化。對于不同的埋深，應(yīng)力分布的規(guī)律基本一致，mises應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在通體的中部，最小值出現(xiàn)在筒體的頂部；環(huán)向應(yīng)力的最大值（最大的拉應(yīng)力）出現(xiàn)在筒體的最低點(diǎn)內(nèi)側(cè)，而最小值（最大的壓應(yīng)力）出現(xiàn)在筒體最低點(diǎn)是外側(cè)。隨著埋深的增加，環(huán)向應(yīng)力和mises應(yīng)力均增大，但是mises應(yīng)力的增大速度要明顯大于環(huán)向應(yīng)力，兩者隨埋深的增加呈線性關(guān)系增加。

圖1 mises應(yīng)力隨埋深變化圖

圖2 環(huán)向應(yīng)力隨埋深變化圖

PCCP設(shè)計(jì)中內(nèi)水壓力是一個(gè)不可忽略的值，而PCCP正是由于能夠承受較高的水壓，以及良好的防滲性，得以在大口徑長距離輸水管道中體現(xiàn)出其優(yōu)勢。由于實(shí)例工程輸水距離較遠(yuǎn)，地質(zhì)條件復(fù)雜，采用了加壓輸水的方法，在中途設(shè)置了兩座加壓泵站保證輸水完成。這就導(dǎo)致了部分管道要在高壓狀態(tài)下工作，而且部分區(qū)段的壓力較高。所以有必要對輸水壓力對管體應(yīng)力的影響加以研究。為了簡化計(jì)算，采用了在3 m埋深時(shí)的模型對水壓力的影響進(jìn)行了研究。水壓力的變化范圍從0.8～1.4 MPa。見圖 3，4。

圖3 mises應(yīng)力隨水壓力變化圖

圖4 環(huán)向應(yīng)力隨水壓力變化圖

由壓力對于輸水管道的影響非常明顯，最大mises應(yīng)力和最大環(huán)向應(yīng)力與靜水壓力基本呈現(xiàn)出正比的關(guān)系，而且比例系數(shù)非常大，也就是說隨著靜水壓力的增大，環(huán)向應(yīng)力和mises應(yīng)力增大的速度是非?？斓?。這說明靜水壓力對管道應(yīng)力的影響非常明顯，在設(shè)計(jì)和施工過程中要作為主要荷載進(jìn)行重點(diǎn)考慮。

3 結(jié)語

1）PCCP管道在工程應(yīng)用中的應(yīng)力分布規(guī)律。Mises應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在通體的中部，最小值出現(xiàn)在筒體的頂部；環(huán)向應(yīng)力的最大值（最大的拉應(yīng)力）出現(xiàn)在筒體的最低點(diǎn)內(nèi)側(cè)，而最小值（最大的壓應(yīng)力）出現(xiàn)在筒體最低點(diǎn)是外側(cè)；計(jì)算分析可以知道PCCP管道能很好的發(fā)揮混凝土的抗壓性能，在工程中需要注意其拉破壞情況。

2）對于不同的埋深，PCCP管道的應(yīng)力分布的規(guī)律基本一致。隨著埋深的增加，兩者隨埋深的增加呈線性關(guān)系增加，環(huán)向應(yīng)力和Mises應(yīng)力均增大，但Mises應(yīng)力的增大速度要明顯大于環(huán)向應(yīng)力。

3）靜水壓力對于PCCP管道的作用效應(yīng)非常明顯，最大mises應(yīng)力和最大環(huán)向應(yīng)力與靜水壓力基本呈現(xiàn)出正比的關(guān)系且比例系數(shù)非常大，說明靜水壓力對管道應(yīng)力的影響非常明顯，這和人們在工程實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)相一致，同時(shí)也提醒廣大工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)和施工過程中要把靜水壓力作為主要荷載進(jìn)行考慮。

[1]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T19685-2005，預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管[S].

[2]中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會.給水排水工程埋地管芯纏絲預(yù)應(yīng)力混凝土管和預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程[S].CECS140:2002.