预应力CFRP钢筒混凝土管内压受力性能研究

作     者：郑文奎 

作者单位：华北水利水电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曲福来;乔裕民

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 081402[工学-结构工程] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：预应力钢筒混凝土管 碳纤维布 内压 承载能力 有限元模型 

摘      要：预应力钢筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe,简称PCCP)是一种性能优良的输水管道,在长距离的输水工程中得到了广泛应用。但由于PCCP一般埋置于地下,土壤中腐蚀性介质会穿过砂浆保护层造成预应力钢丝腐蚀,严重的会导致预应力钢丝断裂。预应力钢丝断裂降低了PCCP的承载能力,增加了管道爆裂风险,极大的影响了管道的安全运行。碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,简称CFRP)具有耐腐蚀、轻质、高强等诸多优点。若能将PCCP管中的预应力钢丝替换为预应力CFRP布,研发出预应力CFRP钢筒混凝土管道(CFRP-PCCP),则有望从根本上解决PCCP中预应力钢丝腐蚀断裂的问题。本文在PCCP研究的基础上,开展了CFRP-PCCP受力性能有限元研究,主要开展了以下几方面的工作:(1)对PCCP管道进行了内压型式试验研究。测试并分析了管道材料(管芯混凝土、预应力钢丝以及保护层砂浆)在内水压作用下的应变变化规律;分析了管芯混凝土内表面裂缝分布及延展规律。结果表明:在弹性阶段,各材料之间变形协调,应变呈线性增长;内水压1.8MPa时,由于混凝土的开裂导致相应截面点处各材料的应变值突增;混凝土裂缝从起始处向插口端纵向延伸,且由此方向裂缝宽度逐渐减小。(2)对PCCP管道进行内压三维有限元数值模拟。采用ABAQUS有限元软件对内压加载进行了模拟,将数值模拟结果与试验数据进行了对比,以验证有限元模型的准确性;在模拟原型试验的基础上,继续加大内水压力值,探讨了PCCP管道的破坏过程。结果表明:数值模拟结果与试验数据拟合较好,应变变化趋势相同,PCCP管道模型的准确性得到了验证;在管道出现裂缝后,材料的应变值始终以较大的速度不断增长,直至管道无法继续承载。(3)对CFRP-PCCP进行了内压三维有限元数值分析。基于预应力等效荷载法的计算原则,将预应力钢丝替换成预应力CFRP布,进行了CFRP-PCCP内压有限元分析;对比分析了CFRP-PCCP与PCCP受力性能,并进一步研究了不同CFRP厚度对管道承载能力的影响。结果表明:在弹性阶段,两个管道应变变化相同;在较大内压下,由于CFRP的弹性模量约高出钢丝30%,使得CFRP-PCCP的抵抗变形能力和抗裂能力优于PCCP,且CFRP厚度越大,管道的承载能力越好。