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水 利 学 报

2022 年 2 月 SHUILI XUEBAO 第 53 卷 第 2 期

文章编号：0559-9350（2022）02-0220-10

考虑黏结滑移的钢衬钢筋混凝土管道承载特性分析

马 铢，石长征，伍鹤皋

（武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072）

摘要：基于三峡水电站钢衬钢筋混凝土压力管道实际工程和大比尺模型试验参数，建立了管道斜直段局部三维有
限元数值分析模型，采用混凝土塑性损伤模型模拟管道外包及坝体混凝土，并在钢筋与混凝土界面插入内聚单元
来模拟钢筋与混凝土之间的黏结滑移特性。钢筋分别采用埋入式和分离式两种模型，系统地研究了考虑黏结滑移
以及黏结强度大小对管道承载特性的影响。结果表明，考虑黏结滑移以后，钢筋的应变和应力分布更为均匀，应
力峰值减小，结构变形增大，使得钢衬应力稍有增加，但增加的幅度不超过 10%。钢筋与混凝土之间黏结强度越
大，管道上半周裂缝条数越多，平均裂缝间距减小，使得平均裂缝宽度越小。钢筋与混凝土的相对滑移量随着黏
结强度的降低而增加，但均未超过规范允许值，表明钢筋与混凝土仍能保持良好的黏结而未发生黏结破坏。虽然
考虑黏结滑移后的数值模拟结果与模型试验结果更为接近，但黏结滑移对管道结构整体承载安全性影响并不大，
并且黏结滑移模型所需的计算工作量较大。因此，对钢衬钢筋混凝土管道这种环状封闭结构的受力特性进行有限
元数值分析时，在设计中忽略其影响以简化计算，仍能够满足计算分析和工程设计复核的要求。
关键词：钢衬钢筋混凝土管道；黏结滑移；塑性损伤模型；内聚力模型；钢筋模型；承载特性
中图分类号： TV732.4 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20210673

1 研究背景

［1］
钢衬钢筋混凝土管道由钢衬与外包钢筋混凝土组成，是坝下游面和地面引水管道的主要类型 。
钢衬与外包钢筋混凝土可以联合承载，减薄了钢衬厚度，已广泛应用于东江、紧水滩、三峡、公伯
［2］
峡、积石峡等大中型坝后式电站和引水式电站中 。
钢衬钢筋混凝土压力管道在设计荷载下允许外包混凝土开裂，结构承载特性对电站的安全运行
和结构耐久性至关重要，因此其开裂前后的钢衬、钢筋和混凝土的应力、裂缝开展情况以及裂缝宽
度等问题受到了国内外学者的广泛关注。随着计算机技术的快速发展，有限元法因其解决结构复
杂、边界条件多样、材料非线性等复杂问题的优越性，已成为钢衬钢筋混凝土管道承载分析的主要
［3］
研究方法。伍鹤皋等 结合模型试验的结果，采用有限元法对比研究了钢衬钢筋混凝土管道的裂缝开
［4］
展特征。石长征等 进一步考虑了温度作用对管道开裂和承载特性的影响。苏凯等 ［5-6］ 在钢衬和混凝
土之间插入接触单元，探究了摩擦接触特性和缝隙值对管道承载特性的影响。上述研究虽然得到了
管道在各种荷载作用和不同因素影响下的承载和开裂特性，但是在分析时都假设钢筋与混凝土黏结
完好，忽略钢筋与混凝土之间黏结滑移的影响，而钢衬钢筋混凝土管道是钢衬、钢筋与混凝土联合
承载的组合结构，钢筋与混凝土之间的黏结滑移特性对于这种组合结构的共同受力可能产生不利影
［7］
响 ，因此深入研究黏结滑移以及黏结强度对钢衬钢筋混凝土管道具有重要意义。
黏结是钢筋与其周围混凝土之间的一种十分复杂的交互作用，通过这种作用，传递二者间的应

收稿日期：2021-07-26；网络首发时间：2022-01-07
网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20220105.0942.001.html
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基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFC0401803）
作者简介：马铢（1996-），博士生，主要从事水电站压力管道与厂房结构研究。E-mail：mazhu0518@whu.edu.cn
通讯作者：石长征（1983-），博士，讲师，主要从事水电站压力管道和地下工程研究。E-mail：scz4@163.com
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