钢衬钢筋混凝土管道开裂机理及模拟技术研究

钢衬钢筋混凝土管道在设计上允许外包混凝土开裂,确定其裂缝发展规律和结构的承载特性是评估管道能否长期安全稳定运行的前提,但现有的解析公式多是半理论半经验公式,不同的公式计算结果误差较大,有限元法成为了主要的分析方法.以往的有限元模型多基于损伤或者断裂理论,较少考虑二者的耦合作用,本文结合三峡水电站大比尺试验模型,建立了基于黏聚裂缝模型的有限元模型,在管道混凝土中插入内聚单元综合模拟了混凝土开裂过程中的损伤和断裂特性,得到了管道结构开裂前后的钢材应力变化规律、裂缝扩展形态以及裂缝宽度,进一步系统地讨论了内聚参数和网格尺寸的影响.有限元模拟裂缝扩展形态与模型试验时裂缝宽度中间宽、两侧较小的结论一致.管腰和管顶典型部位的裂缝宽度值与模型试验误差在10%以内,且钢材应力起伏与裂缝位置相呼应.更改内聚参数和网格尺寸发现,在合理的取值范围内,混凝土裂缝扩展、钢材承载规律与试验结果基本一致,但内聚刚度取值过小会导致混凝土开裂提前,黏结系数取值过大或者单元尺寸过大会使计算结果的精度降低.因此在采用黏聚裂缝模型模拟管道混凝土开裂时,应在保证计算收敛的前提下,尽可能取较小的黏结系数和足够大的内聚刚度,以提高计算结果的精度.

考虑黏结滑移的钢衬钢筋混凝土管道承载特性分析

基于三峡水电站钢衬钢筋混凝土压力管道实际工程和大比尺模型试验参数,建立了管道斜直段局部三维有限元数值分析模型,采用混凝土塑性损伤模型模拟管道外包及坝体混凝土,并在钢筋与混凝土界面插入内聚单元来模拟钢筋与混凝土之间的黏结滑移特性。钢筋分别采用埋入式和分离式两种模型,系统地研究了考虑黏结滑移以及黏结强度大小对管道承载特性的影响。结果表明,考虑黏结滑移以后,钢筋的应变和应力分布更为均匀,应力峰值减小,结构变形增大,使得钢衬应力稍有增加,但增加的幅度不超过10%。钢筋与混凝土之间黏结强度越大,管道上半周裂缝条数越多,平均裂缝间距减小,使得平均裂缝宽度越小。钢筋与混凝土的相对滑移量随着黏结强度的降低而增加,但均未超过规范允许值,表明钢筋与混凝土仍能保持良好的黏结而未发生黏结破坏。虽然考虑黏结滑移后的数值模拟结果与模型试验结果更为接近,但黏结滑移对管道结构整体承载安全性影响并不大,并且黏结滑移模型所需的计算工作量较大。因此,对钢衬钢筋混凝土管道这种环状封闭结构的受力特性进行有限元数值分析时,在设计中忽略其影响以简化计算,仍能够满足计算分析和工程设计复核的要求。

地面式钢衬钢筋混凝土管道过活断层措施与地基接触特性研究

采用钢衬钢筋混凝土管道结构形式,在管线中布置若干个波纹管伸缩节以吸收断层错动位移,研究了该布置方案下管道结构对活断层蠕滑变形的适应性和地基接触特性。研究结果表明,波纹管伸缩节可以承担大部分的断层错动变形,减小断层错动对管道的影响;管道与地基间摩擦系数和粘聚力越小,地基对管道的约束作用越弱,管道与地基之间相对滑移量越大,伸缩节承担的轴向变形越大,说明伸缩节更能发挥调整位移的作用,但摩擦系数和粘聚力的影响幅度并不大。

坝下游面钢衬钢筋混凝土管道结构研究综述

坝下游面钢衬钢筋混凝土管道是目前坝后式电站引水管道的主要布置形式,其安全性和可靠性直接关系到水电站的安全生产和正常运营。本文首先对坝下游面管的优缺点和发展过程进行了简要回顾与分析,然后从坝下游面管国内外典型工程实例的应用和存在的问题出发,对坝下游面管的理论分析、模型试验、数值计算等主要研究方法,以及管道在内水压力、温度作用和地震作用下的承载机理和开裂特性的研究进展进行了归纳和总结,重点讨论了管道混凝土裂缝宽度的计算方法和控制措施,在此基础上提出了需要进一步研究的问题和发展方向,可为今后坝下游面管的深入研究和创新提供思路。