不同邊界條件下PCCP彎管的動力響應(yīng)分析

郭琪璇 白 冰 李鵬輝

(華北水利水電大學,河南 鄭州 450045)

不同邊界條件下PCCP彎管的動力響應(yīng)分析

郭琪璇 白 冰 李鵬輝

(華北水利水電大學,河南 鄭州 450045)

建立了預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)彎管的三維有限元模型。分析計算了PCCP彎管在地震作用下的動力響應(yīng)。考慮了三種不同的邊界條件：簡單邊界條件、粘性邊界條件和粘彈性邊界條件。通過對比三種邊界條件的計算結(jié)果，得出粘彈性邊界是最接近實際情況的人工邊界。計算結(jié)果可供類似結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計參考。

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)，彎管，有限元法，邊界條件，動力響應(yīng)

1 概述

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)作為一種新型復合型管材，不僅能夠承受較高內(nèi)壓和外荷載，并且具備良好的抗?jié)B性、耐久性與較高的通水能力。同時，它的安裝便捷快速且生產(chǎn)成本又低，因而被世界各個國家廣泛應(yīng)用。在我國，PCCP主要應(yīng)用于水利、電力、市政給排水等基礎(chǔ)建設(shè)工程當中[1,2]。

但由于我國PCCP的研究起步較晚，大多數(shù)工程PCCP的設(shè)計和生產(chǎn)完全采用美國有關(guān)標準和手冊。然而完全采用AWWA標準是不現(xiàn)實的，其結(jié)果會使管道制造質(zhì)量參差不齊，導致工程風險[3-5]。且前期對于PCCP開裂問題的研究大多仍然停留在靜力學分析上，對于動力分析方面研究較少。因此，對于PCCP結(jié)構(gòu)開展動力分析研究很有必要[6]。本文擬在考慮不同邊界條件的情況下，對PCCP彎管進行地震動力響應(yīng)分析，以及分析不同邊界條件對于PCCP彎管動力響應(yīng)的影響。

2 PCCP彎管模型的建立

本文是研究PCCP彎管的三維動力分析，主要考慮的是PCCP彎管在地震作用下邊界條件的對比和選擇，因此，在建模過程中對PCCP彎管進行了簡化，把中間的鋼筒用混凝土來進行換算，通過鋼筒和混凝土之間的彈性模量關(guān)系，進行相應(yīng)的換算，以達到簡化的結(jié)果。

2.1單元的選取

本文使用ANSYS軟件建模。在建模過程中，管體的混凝土單元選取的是Solid65，高強預(yù)應(yīng)力鋼絲單元選擇的是Link8。

關(guān)于邊界條件，粘性邊界和粘彈性邊界均采用Combin14單元，該單元具有一維、二維或三維軸向或扭轉(zhuǎn)的性能，在模擬粘性邊界時，令彈簧的剛度K=0，只保留阻尼器功能，該單元能夠很好的模擬粘性邊界和粘彈性邊界條件。

2.2PCCP彎管模型參數(shù)

PCCP彎管以及周圍土體模型幾何尺寸參數(shù)為：管道內(nèi)徑取2.2 m，管芯混凝土的厚度取140 mm，鋼筒的厚度取1.5 mm，預(yù)應(yīng)力鋼絲直徑為5 mm，纏絲間距為11.8 mm，纏絲的橫截面積為1.962 5×10-6mm2，其中鋼筒的厚度如之前所述的簡化，根據(jù)鋼筒和混凝土之間的彈性模量之比，將鋼筒變?yōu)榱撕穸仍龃?0倍的混凝土層，即將原來1.5 mm的鋼筒等效為15 mm的混凝土層，并在ANSYS中建立模型當中對預(yù)應(yīng)力鋼絲進行了適當簡化，即在建立的模型當中把預(yù)應(yīng)力鋼絲的間距變大，然后放大相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力鋼絲的橫截面積，方便之后的網(wǎng)格劃分和計算，外部保護層的厚度取30 mm，管體上部覆土取3 m，整體所取模型X方向取44 m，Y方向取20 m，Z方向取44 m，相應(yīng)的材料參數(shù)見表1，結(jié)構(gòu)的集合模型和有限元模型見圖1～圖3。

表1 模型部分材料參數(shù)表

其中關(guān)于墊層回填與修正要求墊層的最小厚度為450 mm，管道下的墊層最小厚度為150 mm，管溝的最小寬度要比管道的外徑寬1 200 mm，同時要求不超過500 mm夯實一次，最低壓實度為70%，本文根據(jù)要求取墊層厚500 mm，管道下的墊層厚度h1=150 mm，h2=350 mm，管溝的作業(yè)寬度一邊600 mm，修整成形的墊層輪廓如圖4所示。

3 不同邊界條件下PCCP彎管的地震響應(yīng)分析

3.1地震波的選取

本文選取南水北調(diào)河南省南陽段的PCCP為研究對象，該地區(qū)屬于7度設(shè)防區(qū)，峰值加速度為0.035g，選用的波為天津波的南北向地震加速度記錄，天津波的地震波時長為19.19 s，本文對天津波的地震加速度進行了適當?shù)恼{(diào)整，保持原來的頻率，以符合該地區(qū)的狀況。

3.2不同邊界條件下PCCP彎管的地震響應(yīng)

在對簡單邊界、粘性邊界和粘彈性邊界條件進行對比時，選用的PCCP彎管結(jié)構(gòu)的參數(shù)為：場地選擇為粉土，粉土密度為1 871 kg/m3，彈性模量為58 MPa，泊松比為0.34，管道內(nèi)徑取2.2 m，管芯混凝土的厚度取140 mm，鋼筒的厚度如前所述等效轉(zhuǎn)換為15 mm的混凝土層，外部保護層的厚度取30 mm，管體上部覆土取3 m，整體所取模型X方向取44 m，Y方向取20 m，Z方向取44 m，本文沿管道頂部軸向依次取7個典型節(jié)點即節(jié)點354，311，2 119，2 122，2 125，2 083，3 696作為研究對象，來對比分析結(jié)構(gòu)在三種不同邊界條件下的動力特性，選取點的位置如圖3所示。

3.3時程分析結(jié)果

在時程分析當中，這7個典型節(jié)點在簡單邊界、粘性邊界、粘彈性邊界條件下的三向應(yīng)力應(yīng)變進行分析，其中第一主應(yīng)力峰值與第一應(yīng)變峰值見圖5，圖6，第二與第三應(yīng)力應(yīng)變峰值與其結(jié)果相同，故不再贅述。

通過7個典型節(jié)點的第一主應(yīng)力峰值與第一應(yīng)變峰值數(shù)據(jù)圖表可以直觀的看出，在不同的邊界條件下，彎管所受的應(yīng)力和應(yīng)變均有明顯區(qū)別：簡單邊界條件下典型節(jié)點的應(yīng)力應(yīng)變峰值相對較小，粘性邊界條件下典型節(jié)點的應(yīng)力應(yīng)變峰值最大，粘彈性邊界條件下典型節(jié)點的應(yīng)力應(yīng)變峰值居中。這是由于簡單邊界只是簡單的對模型的邊界進行了固定約束，沒有考慮現(xiàn)實狀況下在土壤中穿過的過程，也沒有考慮波在真實狀況下在土壤中的傳播，這與實際工程當中所考慮的有限范圍內(nèi)的地震波及其傳播不相符，因此，對計算結(jié)果的精度有很大影響。而粘性邊界條件相對于簡單邊界條件來說精度要好一些，但是相對于粘彈性邊界條件而言要差一些，粘彈性邊界條件是在所選取的模型邊界上賦予彈簧阻尼單元，它可以彌補粘性邊界條件的不足，并且在應(yīng)用過程中也擁有很好的穩(wěn)定性。另外通過數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，節(jié)點在靠近彎管處要比直管處的應(yīng)力值和應(yīng)變值要大，并且節(jié)點2 083處的應(yīng)力明顯比其他部位要大，這也說明了與直管段相垂直的地震波造成管體與土壤之間有相互作用，導致彎管和直管接管處的應(yīng)力和應(yīng)變值比較大。

4 結(jié)語

經(jīng)過上述計算分析，可以得出如下結(jié)論：

1)在地震波作用下，彎管與直管連接處的應(yīng)力和應(yīng)變值均比直管處的大；

2)粘彈性邊界條件下，典型節(jié)點所受的應(yīng)力介于簡單邊界條件和粘性邊界條件中間，相對來說比較理想，并且在應(yīng)用過程中也擁有很好的穩(wěn)定性，適合工程研究當中對精度的要求。

[1] 余洪方．PCCP管產(chǎn)品質(zhì)量及管道工程耐久性和安全性的必要措施探討[J].混凝土與水泥制品，2011(9)：28-30.

[2] 張樹凱．預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)發(fā)展回顧與前景展望——PCCP已成為我國21世紀鋪設(shè)高工壓、大口徑輸水管道的首選管材[J]．遼寧建材，2009(6)：14-17．

[3] 王倩玲，楊 杰，王法武．預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)數(shù)值仿真分析綜述[J]．山西建筑,2013，39(2)：24-26．

[4] 折學森．填埋式管道垂直土壓力的計算[J]．西北建筑工程學院學報，1993(1)：28-35．

[5] 瞿小莉．大直徑圓通結(jié)構(gòu)土壓力研究[D].大連：大連理工大學碩士學位論文，2005．

[6] 李鵬輝．地下埋置預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)彎管的三維動力分析[D]．鄭州：華北水利水電大學，2017．

DynamicresponseanalysisofPCCPelbowunderdifferentboundaryconditions

GuoQixuanBaiBingLiPenghui

(NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450045,China)

The 3-D FE models of Prestressed Concrete Cylinder Pipe(PCCP) elbow were established. The dynamic response of PCCP elbow under earthquake was calculated and analyzed. Three different boundary conditions were considered: simple boundary condition, viscous boundary condition and viscoelastic boundary condition. The comparison of results shows that the viscoelastic boundary is the artificial boundary closest to the actual situation. The results can be used as reference for similar structural seismic design.

Prestressed Concrete Cylinder Pipe(PCCP), elbow, finite element method, boundary condition, dynamic response

TU311.3

A

1009-6825(2017)27-0050-03

2017-07-13

郭琪璇(1991- )，女，在讀碩士