大型PCCP断丝效应的数值模型对比研究

采用目前常用的3种断丝效应模拟模型,即整圈退出模型、局部退出模型和局部线性退出模型,研究了双层缠丝高工压、大口径预应力钢筒混凝土管(PCCP)在运行、环境荷载联合作用下的极限承载能力和失效模式。研究结果表明:在相同的断丝数量下,整圈退出模型所能承受的极限内压最低,局部退出模型次之,局部线性退出模型最大。整圈退出模型的失效模式为内层混凝土产生1对整圈的环向裂缝并贯穿至钢筒;在局部退出模型中,钢丝应力突变处最先出现混凝土剥落、裂缝、穿孔等破坏,最终的破坏范围约为断丝区的2倍,并且在断丝区域形成1个闭合破坏回路;在局部线性退出模型中,管顶、管底內芯混凝土拉伸破坏并迅速从断丝区域延伸至插口和承口。不同数值模型获得的极限内压和失效模式具有一定差异,未来还需要开展模型或原型观测对数值模拟的结果进行验证。     

准东供水工程PCCP预应力钢丝完整性检测及结构评估

PCCP管道投入运行后,有多种原因会造成预应力钢丝断裂。通过检测PCCP中预应力钢丝的完整性并对出现断丝后的管道进行结构计算,可以评估失效风险,为制定维修方案提供依据。采用电磁法断丝检测技术,对准东供水"500"东延工程10#闸至五彩湾段PCCP管线进行了抽样检测,发现部分管道出现疑似断丝。利用三维非线性有限元模型,计算生成能够反映断丝影响的有限元性能曲线,得出了在工作压力及水锤压力的共同作用下,管道达到微裂缝极限、可见裂缝极限、屈服极限和强度极限时所允许的断丝数量,根据断丝最严重管道的实际断丝数量与极限允许断丝数量的关系确定维修方案,为类似工程提供参考。     

基于多场耦合的PCCP管道力学性能研究

为了探究预应力钢筒混凝土管(PCCP)在多场耦合下的力学性能,通过ABAQUS建立了管土相互作用三维模型,利用已有试验数据对PCCP结构模型进行了评估。之后,通过FLUENT建立了流场模型,并基于MpCCI实现了埋地PCCP管线的多场耦合计算。通过耦合计算,对PCCP管道力学性能进行了分析,研究了管体各层结构应力应变沿管道环向分布规律。最后,探究了断丝率对管道服役性能的影响。研究发现,砂浆、混凝土外芯和钢丝的应力应变最大位置发生在管侧位置,而混凝土内芯和钢筒在管侧位置的应力应变则小于管顶和管底位置;断丝率小于15%时,管道仍能承受工作内压0.8 MPa。     

PCCP断丝的电磁法检测技术研究及其应用

基于远场涡流检测的基本原理,给出了PCCP断丝检测的硬件检测系统,并通过搭建PCCP断丝检测平台,解决了PCCP断丝在检测中的灵敏度问题、断丝位置与检测信号相位之间的关系、断丝数目与检测信号幅度之间的关系等关键技术。为进一步进行PCCP断丝检测工程化应用,给出了PCCP断丝检测仪器标定曲线的标定标准。通过被测管道数据曲线与标定曲线的比较,可以定量判断管道内钢丝断丝的数量。     

CFRP修复PCCP的内水压试验

为了验证CFRP的补强加固效果,采用2根内径2.6m的PCCP进行了内水压力试验,并通过集中断丝模拟了最不利断丝管的受力状况。结果表明,未粘贴碳纤维的断丝管,在设计内水压0.9MPa的状态下,断丝40根后管芯混凝土开裂。分部位粘贴1层、2层和3层环向碳纤维的加固管,在设计内压0.9MPa下,断丝70根后管芯混凝土开裂。CFRP在管芯混凝土出现微裂缝后参与应力重分布,一定程度上缓解了裂缝尖端的应力集中,延缓管芯混凝土开裂,同时,改善了非断丝区钢丝受力状态,延迟了钢丝和钢筒进入屈服状态。CFRP补强加固PCCP的效果明显。     

大口径PCCP管道断丝频谱响应现场试验研究(Ⅰ)

针对南水北调等大型水利工程中大口径PCCP管道在输水过程中容易受到多种外界及内部因素发生断丝时,不能快速准确地确定断丝位置是进行PCCP管道抢修的难点,对大口径PCCP管道结构断丝进行现场试验。提出一套基于光纤光栅检测PCCP管道断丝时的频率检测技术,开发出适用于大口径PCCP管线断丝检测的检测仪器及设备,形成一整套PCCP管道断丝检测系统,并通过PCCP管道断丝（内径2m）现场原位试验验证这一检测系统的可行性、可靠性及实用性,能够实现大型PCCP管道断丝的实时监测。通过对2m大直径PCCP管道在断丝前后传感器频谱发生变化的现场原位试验,认为管线发生断丝前后,同一物体在不同部位撞击时,传感器的频谱响应都相同,不同物体敲击,频谱不完全相同,但都在830Hz附近有一个频谱响应;无论断丝与否及不同的敲击方式、不同的敲击部位,均形成三个频谱峰值响应范围,断丝前后第一个和第三个频谱范围基本相同,但第二个频谱峰值范围,断丝前在290～380Hz,断丝后的则在500～650Hz。上述结论可以对PCCP管道是否发生断丝进行定性和定量判断,为下一步南水北调大口径PCCP管线断丝的检修提供技术指导。     

基于AHP法的大口径PCCP管道断丝安全风险管理

如何有效地对大口径PCCP管道断丝后管道结构的安全进行合理地评价,以便采取积极有效的维修措施,是减少南水北调大口径PCCP管道运营期间断丝安全风险的有效途径。提出利用层次分析方法(AHP)建立PCCP管道安全风险层次分析数学评价模型,对影响南水北调地下大口径PCCP管道断丝的各种可能因素进行专家打分,同时,通过数值模拟计算,建立PCCP管道安全失效的判断准则及判断标准,实现大口径PCCP管道安全风险评价的定量化。在此基础上,开发出一款专门针对南水北调中线PCCP管道工程安全运行风险实时监测的管理软件。该软件系统采用自动化实时监测技术和基于Web-GIS的风险管理系统。该系统能完成监测数据的实时采集、数据档案的电子化管理以及安全风险的动态评估与预警预报。     

PCCP断丝数量对内压承载力的影响

采用降温法模拟PCCP中预应力钢丝产生的预应力,通过调整降温值来控制钢丝中预应力的大小,在没有断丝的部位预应力值为一常量。针对0.6MPa和0.8MPa的工作内压,直径2.6m、3.2m和4m的PCCP分别设定不同的断丝率,通过三维有限元计算,研究了PCCP断丝数量对内压承载力的影响。     

PCCP断丝电磁检测有限元仿真研究

预应力钢筒混凝土管被广泛应用于水利工程,运行过程中的环境腐蚀或管压操作不当,会导致管内高强钢丝的腐蚀或断裂,进而导致泄漏等事故。目前,普遍采用正交电磁检测技术对PCCP的断丝状态进行评估,本文应用有限元数值计算方法建立了PCCP检测系统全尺寸仿真模型,给出了断丝发生后电磁检测信号的畸变特征,并分析了断丝数量、检测频率等因素对畸变特征的影响,验证了电磁检测法的有效性,以期对PCCP实际工程应用提供参考。     

断丝PCCP管道外贴CFRP修复足尺模型试验研究

断丝是目前预应力钢筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe,PCCP)最为常见的一种病害,如不及时加固,极易造成爆管等事故。针对长距离PCCP输水管道难以停水维修问题,提出了一种外贴碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)的维修方法。为了探究外贴CFRP修复断丝PCCP效果,采用一根内径2.8m的PCCP管道进行了内水压足尺试验。试验对修复前后PCCP结构应变响应进行了对比分析,结果表明:由于CFRP"箍束"作用,修复后断丝区中间截面材料应变减小,利于PCCP承压。     

大口径PCCP断丝加固技术工程应用和效果评价

针对埋地预应力钢筒混凝土管（PCCP）的断丝现象，介绍了常用的三种加固方案，即在断丝管节内壁粘贴碳纤维片材、对断丝管节进行体外预应力加固以及更换断丝管节进行修补加固。为了验证这些加固技术的应用效果，对断丝管节加固前后的断丝数据及冬、夏季典型时段断丝数据进行了分析，并对加固方案效果进行了评价。结果表明：碳纤维加固不能显著减少断丝的持续发生；体外预应力加固效果明显，可基本解决断丝的发生，是相对可靠的断丝管节加固技术；更换断丝管节需耗费大量的人、财、物，适用于管线应急修复。     

不同尺寸双腐蚀缺陷管道剩余强度研究

利用非线性有限元分析方法,对含有不同尺寸的双腐蚀缺陷管道剩余强度进行分析,与实验结果进行对比,验证了非线性有限元法的可靠性。在此基础上,分别研究了轴向间距对不同长度、不同深度双腐蚀缺陷管道剩余强度的影响,计算结果表明：当双腐蚀缺陷轴向间距很小时,不同长度双腐蚀缺陷之间存在完全相互作用,而不同深度双腐蚀缺陷之间不存在完全相互作用;随着双腐蚀缺陷轴向间距系数的增加,不同长度和深度双腐蚀缺陷管道失效压力均呈现明显的对数函数变化形式;当双腐蚀轴向间距系数大于2.5 lS后,不同长度和深度双腐蚀相互作用现象均消失。     

PCCP破坏机理及其加固现状

PCCP在使用过程中会出现裂缝、断丝等劣化现象,甚至出现爆管。开展PCCP破坏机理及其加固技术的研究,对于指导工程实践、保障工程安全具有重要的学术价值和经济意义。通过对国内外文献分析与研究,依次阐述了PCCP破坏机理和加固的研究进展情况,并结合目前研究状况对进一步的研究重点和方向进行了探讨。     

某供水工程倒虹吸PCCP状态评估、风险评价及运行管理

某供水工程三个泉倒虹吸全长10.93km,所采用的PCCP管径大,内水压力高,综合难度指数(管径与压力的乘积)高。该工程存在多个影响PCCP安全运行的因素。2010年首次采用电磁法检测了全部2400节管道的钢丝完整性,2年半后再次进行了检测。前后两次检测对比表明,管道断丝数量基本未增加,管道当前的劣化速度较低。尽管运行环境较恶劣,但PCCP断丝数量处于较低水平,目前总体处于良好状态。风险分析表明,目前PCCP处于中等风险。     

PCCP砂浆保护层强度取值及开裂控制条件的研究和探讨

分析了中美两国PCCP设计标准中关于砂浆强度取值以及开裂控制条件的一些规定,并基于ABAQUS有限元分析软件,模拟和研究了PCCP在安装和运行过程中砂浆保护层的力学响应机理,依据计算结果对设计标准中存在的问题进行了探讨。结果表明,目前设计中采用砂浆的抗压强度作为砂浆强度的设计值,高估了PCCP砂浆的承载能力,同时,设计标准中控制砂浆层开裂验算中的应变限值过高,导致砂浆保护层容易产生裂缝这一现象被忽视,容易导致由设计缺陷造成的PCCP结构失效和破坏。     

PCCP失效解析—美国结构设计标准一个细节有错

PCCP主要失效模式是钢丝腐蚀管爆裂,砂浆防护层裂缝是钢丝腐蚀主要原因;防护层裂缝不可避免,产品结构设计中存在先天隐蔽性缺陷;高内压的大口径PCCP管线"膨胀量"大,特别危险。信息高度不对称,造成不公平的竞争环境和结果。美国主流的管道设计已经不再考虑PCCP。失效信息在中国慢慢传开,输水管线市场将出现大变局。     

缠丝张拉应力对PCCP受力性能的影响研究

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。     

混凝土箱梁钢悬臂拓宽法试验研究与数值模拟

钢悬臂加宽法专门用于拓宽城市混凝土箱梁桥,采用该方法拓宽后的混凝土箱梁是一种新式的钢–混凝土横向组合结构,但其破坏失效形式和极限承载能力尚未明确。本文基于钢悬臂拓宽模型的静力加载破坏试验及非线性有限元数值模拟,研究了该新型横向组合结构的破坏失效形式和极限承载能力。研究表明:后浇隔板在弯剪作用下的开裂导致该组合结构达到承载极限状态,即后浇隔板对该组合结构的极限承载能力起决定性作用;通过对比理论结果与试验结果,表明所建立的数值模型能准确地预测拓宽结构的极限承载力。     

碳纤维布条状约束不同损伤程度的混凝土柱受压性能分析

本文基于已有碳纤维(CFRP)布条状约束损伤混凝土柱(即混凝土柱首先产生不同程度的损伤之后持载进行CFRP布条状加固)的轴压试验结果,研究不同损伤程度和CFRP布条带(3道和5道)横向缠绕约束(加固量)对受压柱及CFRP布受力性能的影响。分析结果表明:相同损伤程度下,加固柱的极限承载力和延性随着CFRP布条状加固量的增加而增大;加固量相同时,其极限承载力和延性随着损伤程度的增大而降低;3道CFRP布条带(净间距125mm)加固的试件,以裸露区域混凝土压碎而破坏;5道CFRP布条带(净间距50mm)加固的试件,以条状CFRP布拉断而破坏;当损伤程度较小时,CFRP布强度均可得到充分利用;当损伤程度达到0.4后,CFRP布条状加固效果均明显减弱。     

螺旋箍筋PVC管联合约束混凝土轴压短柱试验研究

为了研究螺旋箍筋PVC管联合约束混凝土短柱的受力性能,设计了20个试件进行轴压试验,包含12个螺旋箍筋PVC管联合约束短柱试件、7个单纯PVC管约束短柱试件和1个普通钢筋混凝土短柱对比试件。试验考虑了约束核心区面积比、螺旋箍筋直径和间距、纵向钢筋直径以及方形箍筋间距等变化参数。通过试验观察了试件的受力过程与形态,获取其轴向荷载-位移曲线、极限承载力、延性系数、耗能因子等数据,并分析了核心区面积比、螺旋箍筋直径及间距、纵向钢筋直径、方形箍筋间距等参数对试件轴压性能的影响规律。研究结果表明:单纯PVC管约束混凝土短柱及螺旋箍筋PVC管联合约束混凝土短柱的破坏过程和形态与普通钢筋混凝土短柱相似。与普通钢筋混凝土短柱相比,单纯PVC管约束的混凝土短柱的极限承载力更低,但延性及耗能能力有所增加。对于螺旋箍筋PVC管联合约束混凝土短柱而言,加密螺旋箍筋间距可以显著提高其极限承载力,但会削弱试件的延性及耗能能力;增大螺旋箍筋直径,能够略微提高试件延性及耗能能力,对极限承载力影响不大;增大螺旋箍筋PVC管核心区面积比,可以增大试件的极限承载力,但会降低其延性及耗能能力;与普通钢筋混凝土相似,增大纵向钢筋直径或加密方形箍筋间距,均能提高试件的承载能力、延性及耗能能力。