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断丝是整圈钢丝在某点发生断裂，现场试验采用砂轮机割断钢丝。模型中通过环向弹簧单元和单
元删除操作实现断丝，如图 ３所示。在建模时，需选择钢丝断点位置（节点 ２），新增钢丝节点（节点
４），替换钢丝单元（将单元②替换成单元④），增加大刚度的环向弹簧单元以连接断点处的两个钢丝节
点（节点 ２和 ４）。在断丝荷载步中，利用单元删除操作移除弹簧单元并实现钢丝割断。按此方式编写
的断丝脚本程序可以实现管体任意位置的断丝模拟。

图 ３ 任意位置钢丝割断的示意与效果图

２．３ 断丝预应力损失的初始范围及其扩展 模拟方法通过抽象分析砂浆、预应力钢丝和管芯混凝土之
间的两两相互作用机制，引入非线性弹簧单元、内聚力模型和塑性损伤模型，共同实现断丝预应力损
失初始范围的形成、保持和扩展，如图 ４所示。该体系在计算过程中经历以下三个过程：
（ １）预应力损失的初始范围。当少量断丝发生后，钢丝的预拉应力使断丝节点出现不平衡力，并
造成断丝节点发生位移。环向非线性弹簧单元连接断丝节点和砂浆节点。环向非线性弹簧单元的一端
因钢丝节点的位移而被牵引，另一端则被砂浆单元限制。当断丝的不平衡力被环向非线性弹簧单元的
拉力平衡后，断丝因此形成预应力损失的初始范围。
（２）断丝预应力损失初始范围的保持。砂浆单元本身具有一定的限制环向非线性弹簧单元发生位移
的能力。此外，内聚力接触连接砂浆单元与管芯混凝土单元，并在内聚力接触破坏之前使砂浆单元与管
芯混凝土单元共同承担环向非线性弹簧单元的拉力。若断丝数量不多，在断丝节点、环向非线性弹簧单
元和砂浆节点组成体系中，如果砂浆节点不发生较大位移，断丝预应力损失的初始范围就会得以保持。
（３）断丝预应力损失初始范围的扩展。随着断丝数量增多时，砂浆承受的环向拉力相应增大，导
致内聚区接触的损伤变量接近 １，使用塑性损伤模型的砂浆单元刚度降低。若断丝数量超过临界值，
砂浆的损伤刚度小于非线性弹簧刚度；环向非线性弹簧拉动砂浆节点产生较大位移，其力由设置的最
大值逐渐降低至零；断丝因缺乏环向拉力而发生预应力损失范围扩展。

图 ４ 断丝预应力损失范围扩展示意
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