何山，吳海林，司東東

(三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌443000)

鋼襯鋼筋混凝土壓力管道是一種鋼襯與其外包鋼筋混凝土組成的聯(lián)合受力管道結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的明鋼管、地下埋管和壩內(nèi)埋管相比，它更適用于水頭較高以及無(wú)法在壩內(nèi)埋管的水利工程。國(guó)內(nèi)的東江水電站、緊水灘水電站、五強(qiáng)溪水電站、李家峽水電站、三峽水電站等都采用了這種結(jié)構(gòu)型式。但已有的監(jiān)測(cè)資料表明[1-4]，現(xiàn)已經(jīng)投入使用的這些壓力管道外圍混凝土均觀測(cè)到了不同程度的開(kāi)裂，并且裂縫仍然在持續(xù)發(fā)展。為了保證鋼襯鋼筋混凝土壓力管道的安全性和耐久性，如何限制裂縫是鋼襯鋼筋混凝土壓力管道研究領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。目前，在橋梁、公路等其他領(lǐng)域已有學(xué)者提出在混凝土中摻入纖維來(lái)改善混凝土的抗裂、抗?jié)B等材料性能，并進(jìn)行了大量的研究工作。已有的研究成果表明[5-8]，在普通混凝土中摻入合適的纖維，可以提高混凝土的開(kāi)裂荷載，減小裂縫寬度，有效改善混凝土的抗裂性能。隨著纖維混凝土研究的深入，在普通混凝土中摻入纖維的類型也由早期的鋼纖維、聚丙烯纖維等單一纖維發(fā)展到多種不同類型纖維或不同尺寸特征纖維的混摻[9-12]，即混雜纖維混凝土。本文以鋼襯鋼筋混凝土壓力管道模型為基礎(chǔ)，考慮在外包混凝土中摻入鋼-聚丙烯混雜纖維，利用ABAQUS建立有限元模型，采用非線性有限元法對(duì)混雜纖維混凝土壓力管道進(jìn)行數(shù)值模擬分析，探索不同鋼-聚丙烯混雜纖維體積率下鋼襯鋼筋混凝土壓力管道的承載性能，通過(guò)計(jì)算和對(duì)比分析，著重研究混雜纖維對(duì)管道混凝土開(kāi)裂形態(tài)以及鋼材應(yīng)力的影響。

1 有限元分析模型的建立

1.1 計(jì)算模型及參數(shù)獲取

原武漢水利水電大學(xué)進(jìn)行了三峽水電站鋼襯鋼筋混凝土壓力管道大比尺模型試驗(yàn)，分析了管道在內(nèi)水壓力下的鋼襯鋼筋混凝土應(yīng)力分布以及混凝土初裂位置、初裂荷載及其發(fā)展特征以及管道承載性能及極限承載能力等，其主要研究成果見(jiàn)表1[13-14]。

表1 模型試驗(yàn)主要研究結(jié)果

本文以管道斜直段末端模型為對(duì)象建立三維有限元模型并進(jìn)行研究分析，該斷面設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力為1.21 MPa。模型采用1∶2大比尺，沿軸向管段長(zhǎng)度為0.6 m。鋼襯采用16 Mn鋼板，厚度為16 mm。管道配筋率和原型保持一致，管道環(huán)向鋼筋設(shè)置內(nèi)層3φ28，中層3φ32，外層3φ36，中層鋼筋靠近外層鋼筋布置，目的是減小外壁混凝土表面的裂縫寬度。壩體和管道中間設(shè)置厚度為15 mm的PS泡沫塑料。壩體混凝土采用C15強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，鋼襯外包混凝土采用C25強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，鋼襯外包混凝土厚度為1 m，其各項(xiàng)材料參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 材料參數(shù)

上表中，Vs表示基體混凝土中鋼纖維的體積摻量，Vp表示基體混凝土中聚丙烯纖維的體積摻量(下同)。根據(jù)JGJT 221—2010《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定，纖維混凝土的彈性模量和泊松比參照國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行取值。

圖1所示為壓力管道有限元網(wǎng)格模型，其中，混凝土單元為8節(jié)點(diǎn)6面體實(shí)體單元，共劃分5 103個(gè)單元。鋼襯為4節(jié)點(diǎn)殼單元，共劃分312個(gè)單元。鋼筋為2節(jié)點(diǎn)桿單元，共劃分1 080個(gè)單元，總共剖分單元6 495個(gè)。在數(shù)值模型計(jì)算中，對(duì)壩體底部進(jìn)行水平約束，模型和地面接觸方向采用豎向約束。數(shù)值模擬加載過(guò)程與模型試驗(yàn)加載過(guò)程相同，加載過(guò)程為以0.2 MPa的級(jí)差加載到0.60 MPa，再改為以0.10 MPa的級(jí)差加載，最后一級(jí)加壓0.11 MPa至設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力1.21 MPa。

圖1 壓力管道有限元網(wǎng)格模型

1.2 混雜纖維混凝土損傷模型

本文采用混凝土塑性損傷模型，在ABAQUS中模擬鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土壓力管道在內(nèi)水壓力作用下外包混凝土的損傷過(guò)程。不同纖維體積率下鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土的受拉軟化應(yīng)力-應(yīng)變曲線由文獻(xiàn)[15]通過(guò)試驗(yàn)所得，見(jiàn)圖2?；趽p傷理論中有關(guān)能量等效的假設(shè)，計(jì)算鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土單軸受拉損傷參數(shù)，得到鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土的受拉損傷因子-應(yīng)變曲線，見(jiàn)圖3。

圖2 鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土受拉軟化應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3 鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土受拉損傷因子-應(yīng)變曲線

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土管道開(kāi)裂特性研究

為了研究不同體積摻量下鋼-聚丙烯混雜纖維對(duì)壓力管道混凝土開(kāi)裂特性的影響，以鋼纖維體積摻量為0.5%、1.0%、1.5%3個(gè)等級(jí)，聚丙烯纖維體積摻量為0.05%、0.10%、0.15%3個(gè)等級(jí)，進(jìn)行鋼纖維和聚丙烯纖維混雜組合，分析其開(kāi)裂特性。管道在內(nèi)水壓下的開(kāi)裂范圍見(jiàn)圖4，開(kāi)裂情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

由圖4可以看出，裂縫主要分布在管道的上半部分，且基本呈左右對(duì)稱分布，管腰以下混凝土開(kāi)裂范圍較小，裂縫條數(shù)較少。鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土壓力管道最先開(kāi)裂的部位為管腰，鋼纖維體積摻量為0.5%、聚丙烯纖維體積摻量為0.05%時(shí)，數(shù)值計(jì)算表明，當(dāng)內(nèi)水壓達(dá)到0.718 MPa，管道在兩側(cè)管腰處同時(shí)出現(xiàn)兩條裂縫，且裂縫發(fā)展較快并貫穿管道混凝土。隨著內(nèi)水壓的增大，管道開(kāi)裂范圍增大，裂縫條數(shù)增多。當(dāng)內(nèi)水壓增大到1.21 MPa時(shí)，管道混凝土總共出現(xiàn)了19條呈對(duì)稱分布的貫穿裂縫。當(dāng)鋼纖維體積摻量增大到1.5%，聚丙烯纖維體積摻量增大到0.15%時(shí)，隨著內(nèi)水壓的增大，管道從兩側(cè)管腰開(kāi)始開(kāi)裂，初裂荷載為 0.891 MPa，但裂縫并未貫穿管道混凝土。當(dāng)內(nèi)水壓增大到1.21 MPa時(shí)，裂縫集中分布在管道的上半部分，管道下半部分沒(méi)有裂縫產(chǎn)生，且只有管腰處的2條裂縫貫穿了管道混凝土。

由表3可以看出，當(dāng)鋼纖維摻量固定，聚丙烯纖維摻量從0.05%增大到0.15%時(shí)，管道開(kāi)裂內(nèi)水壓不斷增大，裂縫條數(shù)明顯減少。0.5%鋼纖維摻量下，聚丙烯纖維摻量在0.10%和0.15%時(shí)對(duì)比0.05%的開(kāi)裂內(nèi)水壓分別提升了9%和17%，貫穿裂縫條數(shù)分別減少3、10條。固定聚丙烯纖維摻量，改變鋼纖維摻量時(shí)，以0.05%聚丙烯纖維摻量為例，鋼纖維摻量在1.0%和1.5%時(shí)對(duì)比0.5%的開(kāi)裂荷載分別提升了8%和13%，貫穿裂縫分別減少了2、6條，2種纖維均表現(xiàn)出了良好的抗裂能力。與普通混凝土壓力管道相比，鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土壓力管道開(kāi)裂荷載均高于普通混凝土壓力管道開(kāi)裂荷載。

從上述分析可知，鋼-聚丙烯混雜纖維對(duì)壓力管道外包混凝土裂縫的開(kāi)展有明顯的限制作用?；祀s纖維摻入混凝土，提高了混凝土抗拉強(qiáng)度，影響了混凝土抗拉破壞過(guò)程。隨著混雜纖維體積摻量的增大，管道混凝土開(kāi)裂荷載增大，混凝土開(kāi)裂范圍減小，混凝土裂縫條數(shù)減少。以鋼纖維摻量為1.5%，聚丙烯纖維摻量為0.15%為例，和普通混凝土壓力管道相比，鋼-聚丙烯混雜纖維管道混凝土開(kāi)裂荷載提高了27%，最終只產(chǎn)生了2條貫穿裂縫。

a)Vs=0.5%,Vp=0.05% b)Vs=0.5%,Vp=0.1% c)Vs=0.5%,Vp=0.15%

d)Vs=1.0%,Vp=0.05% e)Vs=1.0%,Vp=0.1% f)Vs=1.0%,Vp=0.15%

g)Vs=1.5%,Vp=0.05% h)Vs=1.5%,Vp=0.1% i)Vs=1.5%,Vp=0.15%圖4 鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土管道開(kāi)裂

表3 壓力管道混凝土開(kāi)裂情況統(tǒng)計(jì)

2.2 混雜纖維混凝土壓力管道鋼材應(yīng)力分析

本節(jié)通過(guò)數(shù)值模擬，研究了在設(shè)計(jì)內(nèi)水壓作用下各特征點(diǎn)的鋼材應(yīng)力隨著纖維體積摻量的變化規(guī)律。表4—6列舉了3種典型纖維組合情況下，管道承受設(shè)計(jì)內(nèi)水壓時(shí)鋼材應(yīng)力值。

由上表可知，鋼-聚丙烯混雜纖維能顯著減小壓力管道鋼材的應(yīng)力值，且鋼材應(yīng)力值隨著混雜纖維體積摻量的增大而減小。這是因?yàn)榛祀s纖維摻入混凝土，提高了混凝土的抗拉強(qiáng)度，使混凝土能夠承受更多荷載。以1.5%鋼纖維、0.15%丙烯纖維摻量為例，在設(shè)計(jì)內(nèi)水壓下，鋼襯最大應(yīng)力為75.2 MPa，位于管頂，為屈服強(qiáng)度的21%，相比普通混凝土鋼襯應(yīng)力值減小了40%。鋼筋的最大應(yīng)力值為88.7 MPa，位于管腰處，為其屈服強(qiáng)度24%，鋼相比于普通混凝土鋼筋應(yīng)力減少了42%。由此可見(jiàn)，采用鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土可以有效降低管道鋼材應(yīng)力水平。

表4 Vs=0.5%、Vp=0.05%時(shí)鋼材應(yīng)力值

表5 Vs=1%、Vp=0.1%時(shí)鋼材應(yīng)力值

表6 Vs=1.5%、Vp=0.15%時(shí)鋼材應(yīng)力值

3 結(jié)論

a) 鋼-聚丙烯混雜纖維對(duì)壓力管道外包混凝土裂縫的開(kāi)展有明顯的限制作用。隨著混雜纖維體積摻量的增大，管道混凝土開(kāi)裂荷載增大，混凝土開(kāi)裂范圍減小，混凝土裂縫條數(shù)減少。當(dāng)鋼纖維摻量為1.5%，聚丙烯纖維摻量為0.15%時(shí)，和普通混凝土壓力管道相比，管道混凝土開(kāi)裂荷載提高了27%，最終只產(chǎn)生了2條貫穿裂縫。

b) 鋼-聚丙烯混雜纖維能顯著減小壓力管道鋼材的應(yīng)力值，且鋼材應(yīng)力值隨著混雜纖維體積摻量的增大而減小。在1.5%鋼纖維、0.15%丙烯纖維摻量下，鋼襯最大應(yīng)力為75.2 MPa，相比普通混凝土鋼襯應(yīng)力值減小了40%。