宣鋒 葉源新 鐘俊彬 夏鑫磊

（1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 200092；2.上海城投水務(wù)工程項(xiàng)目管理有限公司 201103）

引言

近年來(lái)，預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土頂管（Jacking of Prestressed Concrete Cylinder Pipe，簡(jiǎn)稱(chēng) JPCCP）作為一種將PCCP與頂進(jìn)施工方式相結(jié)合的新型管材，在國(guó)內(nèi)逐步應(yīng)用［1，2］，但口徑較小，頂距較短，對(duì)于大口徑、長(zhǎng)距離頂進(jìn)的管材理論研究相對(duì)缺乏。JPCCP與PCCP結(jié)構(gòu)形式的不同在于PCCP最外層采用砂漿保護(hù)層，而JPCCP由于頂力需要，外層為鋼筋混凝土保護(hù)層。參考PCCP的設(shè)計(jì)方法不難看出，對(duì)于JPCCP管道而言，在設(shè)計(jì)和使用的過(guò)程中，其在外荷載作用下管道各層材料的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)規(guī)律是影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的重要因素。由于外環(huán)筋的加入，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗裂性能和承載性能貢獻(xiàn)需要進(jìn)行評(píng)估，為此，本文針對(duì)直徑3.6m的JPCCP管材，進(jìn)行了三點(diǎn)法加載和內(nèi)水壓加載的原型試驗(yàn)和基于ABAQUS的數(shù)值分析，掌握了各結(jié)構(gòu)層的受力特性，評(píng)估了各材料之間的協(xié)同工作性能和安全性能。

1 JPCCP試驗(yàn)與數(shù)值模擬概況

1.1 試驗(yàn)概況

原型試驗(yàn)選用3.6m直徑的JPCCP管材作為試驗(yàn)管材，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。其中管芯壁厚220mm，采用7mm直徑光面消除應(yīng)力鋼絲，極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1570MPa，彈性模量 E＝205GPa，鋼絲螺距為15.5mm，張拉控制應(yīng)力為1048MPa，為鋼絲屈服強(qiáng)度（1397MPa）的75%?；炷帘Ｗo(hù)層內(nèi)設(shè)置構(gòu)造鋼筋，縱筋為HRB335，直徑為10mm；鋼筋骨架環(huán)筋為CRB550，直徑為10mm，間距80mm。

管材三點(diǎn)法加載和內(nèi)水壓加載如圖2所示，試驗(yàn)前，部分參考了國(guó)內(nèi)PCCP的設(shè)計(jì)方法［3］和美國(guó) PCCP的設(shè)計(jì)規(guī)范［4，5］，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 50152－2012）［6］，確定了加載方案，對(duì)加載值和加載特征點(diǎn)進(jìn)行了預(yù)估，并確定主要考察的指標(biāo)為：管材的開(kāi)裂荷載，鋼絲、鋼筒、環(huán)筋達(dá)到屈服強(qiáng)度，各層材料發(fā)生分離，出現(xiàn)大面積裂縫，以及在內(nèi)水壓試驗(yàn)時(shí)，各混凝土達(dá)到相應(yīng)的應(yīng)變數(shù)值。加載方法通過(guò)管道頂部的鋼梁逐級(jí)加載，每級(jí)加載值為100kN，直至2600kN，每級(jí)特征點(diǎn)持荷時(shí)間為15min，其余荷載點(diǎn)為一般點(diǎn)，持荷時(shí)間為5min，待變形穩(wěn)定后，測(cè)量電阻應(yīng)變片數(shù)據(jù)，用超聲波探傷儀對(duì)管道進(jìn)行探傷。加載過(guò)程中，荷載加到1250kN時(shí)，進(jìn)行一次卸載，然后再加載。對(duì)每一級(jí)荷載，均保持3min～5min荷載不變，待變形穩(wěn)定后，測(cè)量電阻應(yīng)變片數(shù)據(jù)，用超聲波探傷儀對(duì)管道進(jìn)行探傷。整個(gè)過(guò)程采用靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀進(jìn)行不間斷數(shù)據(jù)采集，并且檢查管體是否出現(xiàn)失去承載能力、出現(xiàn)局部破壞或發(fā)生不適合繼續(xù)承載的變形，并記錄管體情況。

圖1 JPCCP結(jié)構(gòu)形式示意Fig.1 Stucture type of JPCCP

圖2 試驗(yàn)簡(jiǎn)圖Fig.2 Test sketch

1.2 數(shù)值模擬概況

JPCCP的數(shù)值仿真采用ABAQUS有限元平臺(tái)進(jìn)行，混凝土采用六面體減縮積分單元C3D8R，鋼筒采用殼單元，鋼筋采用線單元。各部件的尺寸與試驗(yàn)保持一致，混凝土的本構(gòu)關(guān)系采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010－2010）［7］中的混凝土損傷本構(gòu)模型，其他材料采用彈性和理想彈塑性模型，圖3為三點(diǎn)法和內(nèi)水壓的數(shù)值模型。鋼絲的預(yù)應(yīng)力采用降溫法施加，為了保證外圈混凝土沒(méi)有初始?jí)簯?yīng)力的產(chǎn)生，采用了追蹤單元技術(shù)在建模時(shí)對(duì)于外筒進(jìn)行單元原位復(fù)制，新生成的單元即為追蹤單元。追蹤單元的剛度遠(yuǎn)小于實(shí)際單元?jiǎng)偠龋ù舜文M取值為實(shí)際單元?jiǎng)偠鹊?0－5），因而不對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生實(shí)際影響，但由于其始終保持激活狀態(tài)并且與未激活單元共節(jié)點(diǎn)，因此可以帶動(dòng)未激活單元節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，從而使未激活狀態(tài)的單元不致有初始變形。

圖3 模型示意Fig.3 Model diagram

2 三點(diǎn)法加載試驗(yàn)與模擬結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)前述預(yù)估荷載和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)，試驗(yàn)實(shí)測(cè)的相關(guān)節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵性能指標(biāo)如表1和表2所示，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得，三點(diǎn)法外荷載試驗(yàn)第一次加載過(guò)程中混凝土、鋼筒、鋼絲和鋼筋等應(yīng)變隨荷載基本呈線性變化，可以得出整個(gè)加載過(guò)程中結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，卸載后基本能回到初始狀態(tài)。第二次加載過(guò)程中混凝土、鋼筒、鋼絲和鋼筋等應(yīng)變?cè)陂_(kāi)始階段線性度很好，加載至2440kN以后大多數(shù)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變隨荷載顯著變化，現(xiàn)場(chǎng)目測(cè)的管頂、底的裂縫加速?gòu)堥_(kāi)，管節(jié)承口的收斂變形也顯著變化，其中從2440kN加載到2540kN期間，承口斷面垂直變形達(dá)到29.26mm，水平變形為23.03mm。在加載至2650kN時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼絲的應(yīng)力值已經(jīng)遠(yuǎn)超過(guò)其設(shè)計(jì)值1100MPa，而鋼筒的應(yīng)力還有一定的成長(zhǎng)空間。且2650kN時(shí)，鋼筋已經(jīng)接近屈服應(yīng)力400MPa，由于試驗(yàn)條件的限制和出于安全性考慮，沒(méi)有繼續(xù)加載。但不難看出，JPCCP在三點(diǎn)法下的后續(xù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)模式為：在環(huán)向最不利截面，鋼絲首先達(dá)到屈服應(yīng)力不再增長(zhǎng)，鋼筒還能繼續(xù)提供拉抗力，直至受壓區(qū)混凝土壓碎，結(jié)構(gòu)失去承載性能。

表1 三點(diǎn)法加載關(guān)鍵性能指標(biāo)（第一次加載）Tab.1 The key performance indicators of three-point loadingmethod（first time load）

表2 三點(diǎn)法加載關(guān)鍵性能指標(biāo)（第二次加載階段）Tab.2 The key performance indicators of three-point loadingmethod（second time load）

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

三點(diǎn)法加載的工況下，分別對(duì)比了JPCCP外圈為素混凝土和鋼筋混凝土的情況。外圈為素混凝土?xí)r，外圈混凝土在加載至約600kN時(shí)達(dá)到峰值拉應(yīng)力，內(nèi)圈混凝土在1500kN時(shí)達(dá)到峰值拉應(yīng)力，鋼絲的屈服應(yīng)力約為2500kN，外圈為鋼筋混凝土?xí)r，外圈混凝土在加載至約700kN時(shí)達(dá)到峰值應(yīng)力，內(nèi)圈混凝土在1500kN時(shí)達(dá)到峰值拉應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力鋼絲在2700kN時(shí)達(dá)到屈服應(yīng)力。

圖4給出了鋼絲屈服時(shí)鋼絲、鋼筒和鋼筋的環(huán)向應(yīng)力分布以及加載過(guò)程中在管側(cè)的應(yīng)力變化?？梢钥闯?，與試驗(yàn)結(jié)果相比，數(shù)值模擬下管材各部分應(yīng)力發(fā)展趨勢(shì)以及關(guān)鍵加載節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)吻合較好。對(duì)于管道外圈為素混凝土的情況，三點(diǎn)法加載試驗(yàn)的關(guān)鍵加載節(jié)點(diǎn)主要由混凝土筒體環(huán)向拉應(yīng)變控制，危險(xiǎn)位置主要為外筒外側(cè)，總荷載加載600kN時(shí)，外圈混凝土兩側(cè)達(dá)到峰值拉應(yīng)變；繼續(xù)加至1500kN時(shí)，內(nèi)層混凝土頂部達(dá)到峰值拉應(yīng)變；總荷載加至2500kN時(shí)鋼絲屈服；加至3600kN時(shí)鋼筒屈服，此時(shí)內(nèi)層混凝土也已基本達(dá)到極限壓應(yīng)變。外圈為鋼筋混凝土保護(hù)層的JPCCP三點(diǎn)法加載試驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果與外層為素混凝土?xí)r具有相似的發(fā)展歷程，外層有鋼筋時(shí)外圈混凝土達(dá)到峰值拉應(yīng)力時(shí)的外荷載比素混凝土?xí)r高出約17%，說(shuō)明鋼筋為限制外圈混凝土應(yīng)變開(kāi)展提供了較顯著的作用，但內(nèi)層混凝土達(dá)到峰值拉應(yīng)變及鋼絲屈服時(shí)的加載值在有無(wú)鋼筋兩種情況下差別較小。

圖4 三點(diǎn)法模擬結(jié)果Fig.4 FEA results of three-point loadingmethod

3 內(nèi)水壓試驗(yàn)與模擬結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

與三點(diǎn)法類(lèi)似，根據(jù)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)，在試驗(yàn)中測(cè)得的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)參數(shù)如表3所示。由于加載的荷載值有限，在加載至預(yù)估荷載2.1MPa時(shí)，沒(méi)有相應(yīng)的性能指標(biāo)達(dá)到承載力極限狀態(tài)，表明在抗裂內(nèi)水壓試驗(yàn)加載過(guò)程中鋼筒、鋼絲和鋼筋等應(yīng)變變化增量不大，內(nèi)壁和中間層混凝土由受壓狀態(tài)接近達(dá)到受拉狀態(tài)，可以得出整個(gè)加載過(guò)程中構(gòu)件處于彈性狀態(tài)，卸載后基本能回到初始狀態(tài)。但內(nèi)水壓加至2MPa時(shí)，斷面收斂變形顯著增加，從2MPa增加到2.1MPa過(guò)程中，斷面變形增量達(dá)到1mm。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

內(nèi)水壓工況同樣采用了外圈為素混凝土和鋼筋混凝土兩種JPCCP管材進(jìn)行數(shù)值分析。在外圈為素混凝土?xí)r，外層混凝土在內(nèi)水壓為0.66MPa時(shí)達(dá)到峰值應(yīng)力，此時(shí)內(nèi)圈混凝土還處于鋼絲預(yù)應(yīng)力作用下的受壓狀態(tài)，直到內(nèi)水壓為2MPa時(shí)，內(nèi)層混凝土發(fā)展至峰值應(yīng)力。在2.27MPa時(shí)，鋼絲達(dá)到設(shè)計(jì)屈服應(yīng)力1100MPa，2.68MPa時(shí)鋼筒屈服。當(dāng)外圈為鋼筋混凝土?xí)r，鋼絲、鋼筒和鋼筋的應(yīng)力分布如圖5所示，外層混凝土在內(nèi)水壓為0.72MPa時(shí)達(dá)到峰值應(yīng)力，內(nèi)水壓為2.04MPa時(shí)，內(nèi)層混凝土發(fā)展至峰值應(yīng)力。在2.37MPa時(shí)，鋼絲達(dá)到設(shè)計(jì)屈服應(yīng)力1100MPa。2.98MPa時(shí)，鋼筒屈服，隨之鋼筋達(dá)到屈服應(yīng)力。

圖5 內(nèi)水壓模擬結(jié)果Fig.5 FEA results of internal hydraulic pressuremethod

表3 內(nèi)水壓試驗(yàn)關(guān)鍵性能指標(biāo)Tab.3 The key performance indicators of internal hydraulic pressuremethod

從模擬結(jié)果可以看出，內(nèi)水壓工況的數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，與外圈為素混凝土相比，外圈為鋼筋混凝土?xí)r，外圈混凝土達(dá)到峰值拉應(yīng)力時(shí)的內(nèi)水壓比素混凝土?xí)r高出約10%，在鋼絲屈服后，鋼筒和鋼筋承擔(dān)了截面上絕大部分的拉應(yīng)力，與素混凝土?xí)r相比，鋼筒和鋼筋屈服時(shí)內(nèi)水壓承載力有所增大，但鋼絲屈服時(shí)的內(nèi)水壓基本沒(méi)有變化。

4 JPCCP管材環(huán)向結(jié)構(gòu)性能

三點(diǎn)法的試驗(yàn)和模擬結(jié)果表明，JPCCP管材的最不利截面位于管側(cè)，其破壞開(kāi)始于預(yù)應(yīng)力鋼絲的屈服，鋼筒和鋼筋可以繼續(xù)提高承載力然后相繼屈服，最后內(nèi)圈混凝土被壓碎，表現(xiàn)出一定的延性，在此過(guò)程中，鋼絲、鋼筒和鋼筋能很好地發(fā)揮協(xié)同作用。內(nèi)水壓的結(jié)果與之類(lèi)似。兩種工況下，由于外環(huán)筋的加入，外圈混凝土的開(kāi)裂荷載相比外圈為素混凝土?xí)r都有提高，其對(duì)抗裂性能的貢獻(xiàn)明顯。曲線結(jié)果表明鋼絲的屈服應(yīng)力基本沒(méi)有變化，極限承載力有一定的提高，但幅度也不大，說(shuō)明外環(huán)筋的加入并不能延緩預(yù)應(yīng)力鋼絲的屈服，但能夠提高JPCCP管材的安全儲(chǔ)備，提高結(jié)構(gòu)的延性。為了對(duì)比鋼絲配筋率的影響，本文繼續(xù)對(duì)外圈為鋼筋混凝土JPCCP管進(jìn)行數(shù)值分析，將配筋從φ8＠100改為φ8＠200，則各部分環(huán)向應(yīng)力的變化如圖6所示。

圖6 應(yīng)力變化Fig.6 Changes in stress

當(dāng)外圈配筋減小至構(gòu)造配筋φ8＠200后，鋼筋會(huì)比φ8＠100時(shí)提前屈服，但鋼絲和鋼筒基本沒(méi)有變化，如果增大配筋率可能會(huì)使截面發(fā)生鋼筋鋼筒沒(méi)有屈服而混凝土先被壓碎的脆性破壞。由此表明，在一定配筋率作用下的外環(huán)筋，由于鋼筋的配筋面積有限，基本不能改善管材中鋼絲和鋼筒的變化趨勢(shì)，但對(duì)管材的抗裂和極限承載力有一定的提升，使結(jié)構(gòu)的環(huán)向安全度更高，也能更好地保護(hù)鋼絲不受環(huán)境的侵蝕。

在試驗(yàn)中，觀測(cè)到了加載至2500kN時(shí)，內(nèi)圈混凝土和鋼筒有局部的脫離，外圈的混凝土和鋼絲在端部也有局部的脫開(kāi)，但并未發(fā)展。此時(shí)已經(jīng)達(dá)到了鋼絲的設(shè)計(jì)屈服應(yīng)力，可以認(rèn)為在加載過(guò)程中，各層材料的接觸狀態(tài)良好，不會(huì)發(fā)生層間脫離引起的破壞形式。

5 結(jié)論

1.JPCCP管材現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)基本準(zhǔn)確，采用追蹤單元技術(shù)的數(shù)值建模方法能真實(shí)反映管材的制作過(guò)程，模擬的結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好；

2.試驗(yàn)和模擬結(jié)果表明，JPCCP管最不利截面（三點(diǎn)法位于管側(cè)，內(nèi)水壓認(rèn)為所有截面一致）的破壞模式為預(yù)應(yīng)力鋼絲首先屈服，鋼筒和外環(huán)筋在此之后屈服，最后混凝土受壓破壞的有一定延性的破壞形式，在此過(guò)程中，各層材料間發(fā)生有局部脫離；

3.試驗(yàn)參數(shù)下，配置有外環(huán)筋的JPCCP管相比外圈為素混凝土管而言，不論三點(diǎn)加載還是內(nèi)壓加載下，對(duì)外圈混凝土的抗裂性能均有一定程度的改善，分別提高了17%和10%的開(kāi)裂荷載。外環(huán)筋不能改變鋼絲和鋼筒的響應(yīng)規(guī)律，沒(méi)有超筋的設(shè)計(jì)下，能提高一定的承載能力，并提高結(jié)構(gòu)的延性。

致謝

本研究得到了上海城投水務(wù)工程項(xiàng)目管理有限公司、同濟(jì)大學(xué)、上?；A(chǔ)工程集團(tuán)有限公司、上海萬(wàn)朗管業(yè)有限公司及無(wú)錫華毅管道有限公司在試驗(yàn)研究中給予的大力支持與幫助。

［1］趙利.細(xì)石混凝土在JPCCP保護(hù)層中的應(yīng)用［J］.四川建材.2012（1）：19－20

［2］馬軍鋒.南水北調(diào)城市供水管道頂管施工技術(shù)及應(yīng)用［J］.河南水利與南水北調(diào)，2014（21）：44－45

［3］CECS 140：2011給水排水工程埋地預(yù)應(yīng)力混凝土管和預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2011 CECS 140：2011 Specifiction for structural design of buried prestressed concrete pipeline and prestressed concrete cylinder pipeline ofwater supply and sewerage engineering［S］.Beijing：China Plianning press，2011

［4］AWWA－301，Prestressed Concrete Pressure Pipe，Steel-Cylinder Type［S］.AWWA Standard，2015

［5］AWWA－304，Design of Prestressed Concrete Cylinder Pipe［S］.AWWA Standard，2015

［6］GBT 50152－2012混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012 GBT 50152－2012 Concrete structure testmethod standard［S］.Beijing：China Architecture＆Building Press，2012

［7］GB 50010－2010（2015版）混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015 GB 50010－2010（2015）Code for design of concrete structures［S］.Beijing：China Architecture＆Building Press，2015