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还应兼顾两个要素，即钢丝预应力的施加和断丝导致的管芯预应力降低。
本文在原型试验研究 ［２２］ 的基础上，进一步抽象分析砂浆、预应力钢丝和管芯混凝土之间的两两相
互作用机制，引入弹簧单元和内聚力模型，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，并进一步对参数敏感性和破环规律进行分析。
２ 数值模拟方法和原理
２．１ 断丝的作用机制 管体生产时，管芯外表面螺旋缠绕高强预应力钢丝，使混凝土管芯产生预压应
力；随后高速辊射致密保护层砂浆，以防止预应力钢丝腐蚀，如图 １（ａ）所示。钢丝应力通常分为三个
阶段：１）断丝未发生时，整圈钢丝存在预拉应力；２）断丝发生后，砂浆的握裹作用使断丝仅在局部发
生预应力损失；３）随着断丝增多，砂浆出现分层和开裂现象，如图 １（ｂ）所示，并造成断丝预应力损
失范围扩展。这三个阶段可以画出如图 １（ｃ）所示的简图。管体的结构特点使断丝破坏过程的模拟成为
难点。其中，砂浆具有薄层和脆性的特点；光圆钢丝具有直径小、密集缠绕和预拉应力高的特点。此
外，砂浆、钢丝和管芯两两相互作用，砂浆的分层、开裂和剥离、断丝的黏结滑移和抽离等都属于极
度非线性问题。
图 １ 管体生产与断丝过程的抽象
２．２ 弹簧体系的构造 管芯混凝土的预压应力通过在钢丝与混凝土节点之间设置大刚度的径向弹簧单
元的方式施加，如图 ２所示。降温法使钢丝收缩并产生径向变形，之后便压缩径向弹簧单元。被压缩
的径向弹簧单元向管芯施加均匀的径向围压，使管芯获得环向预压应力。此外，缠丝阶段尚未辊射砂
浆，降温法施加预应力时需对砂浆单元进行单元删除操作。最后，钢丝与混凝土节点之间还需设置刚
度非常小的环向和轴向弹簧单元，以防止计算过程中出现因大位移导致的不收敛问题。
图 ２ 钢丝预应力施加示意
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