预应力钢筒混凝土管缠丝过程应力分析

发布时间：2017-06-15 22:14

  本文关键词：预应力钢筒混凝土管缠丝过程应力分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,随着预应力钢筒混凝土管(以下简称PCCP)在我国的迅速发展,其已被广泛应用于电力、水利、市政给排水等相关工程领域,尤其是我国近年来的重点工程——南水北调工程。自河南省南水北调中线配套工程开工以来,工程人员发现PCCP管道在生产、搬运、放置以及安装期间,管芯混凝土表面普遍都产生裂缝。本文结合南水北调工程建设中出现的问题,重点对PCCP管道生产工艺中的钢丝缠绕这一工序进行研究,对钢丝缠绕过程中管芯混凝土的应力变化规律以及钢筒螺旋焊缝处搭接台阶应力集中等问题进行有限元分析,研究其对管芯混凝土裂缝形成的影响。本文总结了PCCP在国内外的发展以及有关PCCP管道结构的研究现状和研究方法。根据埋置式PCCP管道的生产工序和特点,结合相关的工程生产数据,利用ANSYS有限元软件,建立了PCCP缠丝过程有限元分析模型,模型中充分考虑了不同材料间的协调工作以及钢筒内螺旋焊缝的搭接台阶,采用等效荷载法进行预应力的施加,并将整个缠丝过程分解为七个不同的工况(即缠丝位置达到1m、2m、3m、4m、5m、6m以及缠丝完成水平放置时)进行计算。根据计算结果分析得到以下结论:(1)在缠丝过程中钢筒螺旋焊缝会引起管芯混凝土的应力集中,当搭接台阶为1.5mm时应力集中系数为1.39,当搭接台阶为2.0mm时应力集中系数为1.50;(2)在整个缠丝过程中内外层管芯混凝土均会产生径向拉应力、环向拉应力及轴向拉应力,其中轴向拉应力对管芯裂缝的影响最大,且内层混凝土较外层混凝土更易产生裂缝;(3)对于内层混凝土来说,钢丝缠绕至管道的上半段时产生的轴向拉应力最大。缠丝过程中最大轴向拉应力总是发生在缠丝处的后方0.4m范围内的焊缝处;(4)内外层混凝土环向应力的变化趋势基本一致,主要表现为压应力,因此缠丝过程不会引起纵向裂缝的产生;(5)缠丝完成后,管道在竖直放置和水平放置状态下,内外层混凝土的各个拉应力都很小,不会引起纵向裂缝和环向裂缝。由此可见,钢丝的预应力只有在缠丝进行的过程中才可能导致内层混凝土环向裂缝的产生,当缠丝完成后,预应力的作用不会导致裂缝的产生。因此,在生产过程中,为了减小预应力引起的裂缝的产生,应该更注重缠丝过程中混凝土轴向拉应力的控制。
【关键词】：预应力钢筒混凝土管 有限元 缠丝模型 应力分析
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TV672.2;TV335
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-23
• 1.1 PCCP的结构及其特点11-13
• 1.1.1 PCCP的结构11-12
• 1.1.2 PCCP的特点12-13
• 1.2 PCCP的制作工艺13-15
• 1.2.1 承、插口环制作14
• 1.2.2 钢筒制作14
• 1.2.3 钢筒水压检验14
• 1.2.4 管芯成型及养护14-15
• 1.2.5 钢丝缠丝15
• 1.2.6 PCCP钢丝外保护层制作15
• 1.2.7 管道防腐处理15
• 1.3 PCCP在国内外的发展历史15-17
• 1.3.1 PCCP在国外的发展历史15-17
• 1.3.2 PCCP在国内的发展历史17
• 1.4 国内外PCCP有限元研究现状17-21
• 1.4.1 国外研究现状17-19
• 1.4.2 国内研究现状19-21
• 1.5 本文的主要研究内容及意义21-23
• 1.5.1 主要研究内容21
• 1.5.2 研究意义21-23
• 2 PCCP有限元分析的基本理论23-35
• 2.1 有限元分析的定义23
• 2.2 线性有限元分析23-24
• 2.3 非线性有限元分析24-33
• 2.3.1 结构非线性问题的分类24-25
• 2.3.2 非线性问题的求解方法25-27
• 2.3.3 塑性增量理论27-33
• 2.4 ANSYS软件介绍33-35
• 3 PCCP有限元模型的建立35-44
• 3.1 PCCP计算模型的选取35-38
• 3.1.1 PCCP有限元模型的基本假定35
• 3.1.2 PCCP模型的建立35-38
• 3.2 PCCP有限元模型中的单元类型38-40
• 3.3 PCCP模型的材料参数40-41
• 3.3.1 混凝土的本构关系40-41
• 3.3.2 钢筒的本构关系41
• 3.4 预应力模拟41-43
• 3.4.1 预应力施加的模拟方法41-42
• 3.4.2 环形预应力作用机理42-43
• 3.5 本章小结43-44
• 4 PCCP缠丝过程有限元分析44-60
• 4.1 PCCP管道螺旋焊缝处的应力集中45-46
• 4.2 内层管芯混凝土应力分析46-52
• 4.2.1 应力最大值分析46-48
• 4.2.2 特征点的应力变化分析48-52
• 4.3 外层管芯混凝土应力分析52-56
• 4.3.1 应力最大值分析52-53
• 4.3.2 特征点应力变化分析53-56
• 4.4 钢筒应力分析56-59
• 4.4.1 应力最大值分析56-57
• 4.4.2 特征点应力变化分析57-59
• 4.5 本章小结59-60
• 5 结论与展望60-63
• 5.1 结论60-61
• 5.2 展望61-63
• 参考文献63-66
• 个人简历与研究成果66-67
• 致谢67

【参考文献】

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本文编号：453665