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...