RPC压力管道承载能力试验研究分析及设计理论初探

发布时间：2019-06-15 18:28

【摘要】：随着管线结构,尤其是高水头水电站和超高压输气输油管线的发展,压力管道的创新与实践越来越多引起了工程技术与学术界的高度关注。现行的压力管道多选用钢衬钢筋混凝土压力管道(Steel Lined Reinforced Concrete Penstocks:SLRCP)和预应力钢筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe:PCCP)等管道结构形式,但在管线工程长期的发展与实践中,发现上述两种管道形式,包括早期的普通混凝土管道,由于材料本身的局限性(强度低、韧性差、耐久性不好,抗腐蚀能力差等)和施工局限性(制作偏差、设计失误、环境因素)等原因,致使压力管道产生了各种各样的缺陷和损伤,最终导致结构承载力下降或结构破坏。因而,采用新型材料创新压力管线的结构形式就显得尤为重要。本文就是在这样的背景下,采用活性粉末混凝土(Reactive Power Concrete:RPC)材料,提出RPC压力管道,创新了管道结构形式,并对新型的RPC压力管道开展了试验研究和设计理论研究,取得了初步的试验成果和理论成果,这些成果将成为推动管线结构发展的源动力之一,必定会取得重要的理论意义和社会经济效益。RPC材料作为一种新型超高性能混凝土,以其高强度、高韧性、高耐久性、高耐腐蚀性和高体积稳定性等优点,基本满足了混凝土结构对材料的本质需求,现已成功应用到桥梁结构、薄壁结构、核电安全壳结构、耐火耐腐结构等多种领域。但在管线方面的应用,国内外有其应用前景和潜力的报道,但实质性的研究和推广应用还处于空白。本文采用理论分析和试验研究的方法,旨在解决RPC压力管道推广应用中遇到的基础性的科学与技术问题提供试验支撑和理论支撑,其主要的工作如下:1通过文献查阅和工程调研,指出了RPC材料力学性能及其材性的优越性,并对现行压力管道设计理论和工程应用中的问题进行了综述,找到了现有管线存在的科学与技术问题,并针对现有管线结构存在的问题,提出了新型的RPC压力管道结构形式。2介绍了现有混凝土管道设计理论,并采用类比的方法对RPC压力管道设计理论进行了初步探索。3试制了RPC材料,并通过试验测定了该批RPC材料的立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、抗折强度和弹性模量。试验结果显示,本实验试制的RPC立方体抗压强度达到149.7MPa,棱柱体抗压强度达到112.3MPa,抗折强度达到19.2MPa,弹性模量为50.8GPa,而且通过试验可知,实验结果的标准差在0.92-5.7之间,由此判定本文试制的RPC材料材性较为稳定。4试制了RPC管道,开展了RPC管道内压承载能力的试验研究。试验中,通过逐级加载,阐述了RPC管道的裂缝发育机理、荷载与应变关系、荷载与径向位移关系及RPC管道的开裂荷载、正常使用极限荷载(裂缝宽度达到0.2mm时的荷载)和极限承载荷载等问题,指出了RPC压力管道的可行性与先进性。实验表明:(1)未配筋的RPC管的承载能力远远优于规格类似的碳纤维、玻璃纤维加固过的钢筋混凝土管道;(2)内径500mm,外径590mm的RPC管,开裂荷载约为0.93 MPa,混凝土开裂后,由钢纤维继续承担荷载,所以管道能够继续承载,且由于钢纤维的阻裂作用,裂缝开展较为缓慢,当内压增大到1.08MPa时,裂缝的宽度达到0.2mm。到达正常使用极限荷载(裂缝宽度达到0.2mm时的荷载),此时的径向位移约为1.4 mm,与经过碳纤维、玻璃纤维加固后的钢筋混凝土管达到正常使用极限荷载时的产生的径向位移大小相似。5在总结全文基础上,找到了进一步推广RPC管线结构所遇到的问题,指明了进一步努力的方向,并基于现有的试验和理论成果,预构了一种新型RPC-NC复合预应力管,为RPC管道的进一步应用做出了预测。最后,以期本文的研究成果在推动RPC管道结构的发展方面做出贡献。
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【学位授予单位】：华北水利水电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU528.73

【参考文献】