预应力钢筒混凝土管承插口数值仿真模拟方法

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发布时间：2021-09-04

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预应力钢筒混凝土管承插口数值仿真模拟方法
周理想．张敏
(1．广东省水利电力勘测设计研究院，广州 510635；2．广州市水务规划勘测设计研究院，广州 510640)
摘要：根据预应力钢筒混凝土管的结构型式及特点，对预应力钢筒混凝土管(PCCP管)管身混凝土、钢筒、预应力
钢丝以及承插口钢板进行了数值仿真模拟计算，采用了ANSYS有限元进行计算，对管身混凝土采用SOLID65单元
模拟，管道钢筒采用壳单元SHELL63模拟，管道承插口钢板采用solid185单元模拟，预应力钢丝采用link8单元模
拟。结合工程实例对PCCP管道进行了分析。数值仿真分析合理，具有实际意义。
关键词：PCCP；ANSYS；承插口；接触分析
中图分类号：TV31 文献标识码：A DOI：10．3969／j．issn．1006—2610．2016．03．008
Numerical Sim ulating M ethod for Bell and Spigot of Prestressed Cylinder Concrete Pipe
ZHOU Lixiang ，ZHANG Min
(1．Guangdong Hydropower Planning and Design Institute，Guangzhou 5 10635，China；
2．Guangzhou Water Planning Investigation Design Institute，Guangzhou 5 10640，China)
Abstract：In accordance with the structural type and features of presressed cylinder concrete pipe(PCCP)，the numerical simulating calculation
on pipe concrete，cylinder，prestressed sted wire and bell—spigot steel plate of PCCP is performed．Calculation is carried out by applica—
tion of ANSYS finite element method．The bell-spigot steel plate is simulated by SOLID65 unit an d the prestressed steel wi re by link8 unit．
Based on the engineering practice，analysis is performed．It is reasonable by the numerical simulation and practical meaning．
Key words：PCCP；ANSYS；bell and spigot；contact analysis
0 前言 1 模拟方法
预应力钢筒混凝土管(简称PCCP)以其特有的
新型组合结构优点，在中国长距离输水工程中得到
越来越多地应用。在带钢筒的混凝土管芯上缠绕环
向预应力钢丝并喷射水泥砂浆保护层，钢筒是两端
有钢制承插式接口环的钢简体，管芯是钢筒放置混
凝土中间与管壁组成的复合体。PCCP与一般的混
凝土管相比具有耐高压、耐腐蚀、密封性能好的特
点，但是大口径承插式的管道对基础的变形提出了
更高的要求，承插口是管道结构中的薄弱环节，本文
紧密结合实际工程，通过有限元软件ANSYS对PCCP
的承插口模型的进行数值仿真分析具有一定的
工程实际意义。
收稿日期：2015—12—11
作者简介：周理想(1984一)，男，江西省瑞昌市人，主要从事水
利工程规划及设计工作．
1．1 管身混凝土的模拟
混凝土材料是抗压性能强于抗拉性能，在很小
的受拉应力状态下就会开裂，当管道承插口混凝土
在不均匀沉降或者超载等不利作用开裂后引起应力
的重新分布，如何判断混凝土开裂和模拟裂缝是混
凝土结构分析要解决的关键问题之一_1j。本文对
于PCCP管身混凝土将用ANSYS的SOLID65单元
进行模拟。
在ANSYS软件中，利用SOLID65单元其特有的
拉裂、压碎的性能来模拟管道混凝土的开裂、压碎、
应力重分布等。利用SOLID65单元最重要的方面
在于其对材料非线性的处理，这正是选用该混凝土
单元来模拟承插口开裂与压碎的重要原因之
一
[2一
一
该单元具有8个节点，每个节点有3个自由度，
见图1所示。
西北水电·2016年·第3期 31
Z
▲
X／ Y
P
图l 管身混凝土SOLID65单元几何模型图
管身混凝土材料参数见表1，有关混凝土开裂
模拟参数见表2。
表1 管身混凝土的基本物理力学参数表
注：利用ANSYS中Solid65单兀来模拟混凝土开裂，其裂缝『司剪
力传递系数对管道管身混凝土的有限元分析结果影响较大，一般取
混凝土的开口裂缝剪力传递系数Cl=0．25～0．40，闭合裂缝的剪力
传递系数C2=0．9～1．0。
1．2 管道钢简的模拟
对于一个三维实体结构的厚度方向尺寸不大，
且变形是以翘曲为主时，这种结构称为板壳结
构 J。由于PCCP管道内置钢简壁厚相对管材总壁
厚较薄，钢筒正是上述这种板壳结构，因此本文将利
用ANSYS中薄壁结构的壳单元SHELL63[8 3进行模
拟提高精度。虽然SHELL63是二维的几何形状，但
是它是布置在三维的空问中，所以板壳结构分析是
三维的问题而不是二维的问题。所以在建模
时，管道管芯钢筒实际上不用建立实体厚度，只需要
在内衬混凝土中选择一个曲面并赋予厚度参数的壳
单元来模拟钢筒即可。
壳单元SHELL63每个节点具有6个自由度：沿
节点坐标系、y、Z方向的平动和沿节点坐标系、
l，、z轴的转动，见图2所示。
管钢筒材料参数见表3。
1．3 管道承插口钢板的模拟
PCCP管承插口钢板采用solid185单元模
拟，其物理参数见表4。
图2 管身钢筒SHELL63单元几何模型图
表3 钢筒的基本物理力学参数表
表4 承插口钢板的基本物理力学参数表
1．4 管道预应力钢丝的模拟
在ANSYS中对预应力混凝土的分析方法有很多
种，这里简单介绍2种：分离式和整体式。分离式就
是将混凝土和钢筋分别考虑，对预应力的模拟以施加
荷载的方式考虑；整体式就是将管道混凝土和预应力
钢筋同时考虑。在ANSYS中可以用link8单元模拟
预应力钢筋，用降温法来模拟预应力有2个优点：①
模拟过程相对来说比较简单，仅通过设置实常数即
可；② 降温法可以模拟预应力的损失。降温法是利
用物体热胀冷缩的特性，通过对预应力钢丝的杆单元
实施降温，产生收缩，从而模拟预