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水 利 学 报

２０２４年 １月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５５卷 第 １期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２４）０１ － ００４８ － １２

ＰＣＣＰ断丝破坏规律Ⅱ：数值模拟研究

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窦铁生 ，董晓农 ，牛文龙 ，李炎隆 ，宁靖华 ，黎康平 ２
（１．中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 １０００３８；
２．西安理工大学 北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安 ７１００４８；
３．中国电建集团山东电力管道工程有限公司，山东 济南 ２５０１１７）
摘要：目前预应力钢筒混凝土管 （ＰｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄＣｏｎｃｒｅｔｅＣｙｌｉｎｄｅｒＰｉｐｅ，ＰＣＣＰ）断 丝 的 数 值 模 拟 要 么 整 圈 删 除 断 丝，
要么将断丝的预应力损失范围假设为固定值，无法依据砂浆损伤程度来判断断丝预应力损失范围是否扩展。本文
通过抽象分析砂浆、预应力钢丝和管芯混凝土之间的两两相互作用机制，引入弹簧单元、内聚力模型和塑性损伤
模型，提出了管芯混凝土预压应力施加、任意位置钢丝割断和断丝预应力损失范围扩展的全过程模拟方法，明确
了调控断丝预应力损失范围的初始大小、扩展时机和扩展幅度的关键参数。基于原型试验建立了恒定内压下集中
和离散断丝的数值模型，从内压加载到断丝破坏的全过程角度验证了新模拟方法的合理性，揭示了管芯的预应力
损失和破坏规律，使实际工程中各种三维断点分布的模拟成为可能，可为更精准地预测和评估断丝 ＰＣＣＰ结构性
能提供新手段。
关键词：ＰＣＣＰ；集中断丝；离散断丝；数值模拟方法；预应力损失；破坏
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文献标识码：Ａ
中图分类号：ＴＶ３２２ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３０４１３
１ 研究背景

原型 试 验 研 究 是 认 识 不 同 荷 载 作 用 下 预 应 力 钢 筒 混 凝 土 管 （ＰｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄＣｏｎｃｒｅｔｅＣｙｌｉｎｄｅｒＰｉｐｅ，
ＰＣＣＰ）断丝直至破坏过程中管体变形规律的直观又可靠的手段之一 ［１］ 。然而，试验环境、数据采集、
经济成本、时间和人力资源等限制使得无法进行大批量的原型试验研究。随着计算机性能的提高，大
型结构的非线性分析替代部分试验成为趋势。如何改进现有数值模拟方法，展现 ＰＣＣＰ断丝破坏过程
中的极度非线性，例如断丝的黏结滑移，断丝导致砂浆的分层、开裂和脱落，砂浆分层和开裂反过来
导致断丝的抽离，是目前研究的重点和难点。
然而，目前处理 ＰＣＣＰ断丝的两类模型均无法依据砂浆损伤程度来判断断丝预应力损失范围是否
扩展。早期断丝模型可称为断丝整圈移除模型 ［２ － ５］ ，即钢丝上存在断点时就移除整圈的钢丝，完全忽
略了断丝初期 砂浆 对钢 丝的握 裹作 用。随 后学者 们 考 虑 砂 浆 对 钢 丝 的 握 裹 作 用，预 设 断 丝 应 力 分
布 ［６］ 、利用删除局部断丝 ［７ － ８］ 、添加弹簧单元 ［９］ 、控制断丝单元温度 ［１０ － １１］ 等方法，开发了局部的且范
围固定的断丝预应力损失模型。
此外，钢筋混凝 土之间 黏结 滑移 的 数 值 实 现 已 被 广 泛 研 究，主 要 包 括 界 面 单 元 ［１２ － １４］ 、弹 簧 单
元 ［１５ － １７］ 和设置硬接触 ［１８］ 等实现。现有针对室内拉拔试验的黏结滑移模型通过位移加载来解决钢筋拔
出过程中的计算收敛问题 ［１９ － ２１］ 。然而，ＰＣＣＰ断丝过程是断丝以力的方式对砂浆进行加载的过程。因
此，现有钢筋黏结滑移的模拟方法也无法处理 ＰＣＣＰ断丝过程中断丝的抽离。此外，ＰＣＣＰ断丝模型

收稿日期：２０２３ － ０７ － ０８；网络出版日期：２０２４ － ０１ － １６
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２４０１１５．１５２４．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：水利部重大科技项目（ＳＫＳ － ２０２２１１１）；陕西省自然科学基础研究计划———引汉济渭联合基金项目（２０１９ＪＬＺ － １４）
作者简介：窦铁生（１９６４ － ），正高级工程师，博士生导师，主要从事水工结构研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｄｏｕｔｓｈ＠ｉｗｈｒ．ｃｏｍ
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